Пионерский аксон - Pioneer axon
Пионерный аксон - это классификация аксонов , которые первыми растут в определенной области. Они происходят из пионерных нейронов , и их основная функция - закладывать начальный путь роста, по которому в конечном итоге последуют последующие растущие аксоны, названные последующими аксонами, от других нейронов.
В настоящее время исследуются несколько теорий, касающихся структуры и функции пионерных аксонов. Первая теория состоит в том, что первичные аксоны являются специализированными структурами и что они играют решающую роль в управлении последующими аксонами. Во-вторых, первичные аксоны не отличаются от ведомых аксонов и не играют никакой роли в управлении ведомыми аксонами.
Анатомически нет различий между пионерскими и ведомыми аксонами, хотя есть морфологические различия. В настоящее время изучаются механизмы пионерных аксонов и их роль в ведении аксонов . Кроме того, проводится множество исследований на модельных организмах, таких как кузнечики, рыбки данио и дрозофилы, с целью изучения влияния манипуляций с пионерными аксонами на развитие нейронов.
История
Сантьяго Рамон-и-Кахал , которого считают отцом современной нейробиологии , был одним из первых, кто физически наблюдал растущие аксоны. Более того, он заметил, что аксоны росли структурированно и управляемо. Он утверждал, что аксоны управляются хемотаксическими сигналами. Действительно, более поздние эксперименты показали, что как в моделях беспозвоночных, так и у позвоночных , аксоны росли по заранее определенным маршрутам, создавая воспроизводимый каркас нервов.
Взгляды Рамона-и-Кахала столкнулись с некоторой конкуренцией со взглядами Пола Альфреда Вайса , его современного нейробиолога в 1920-х и 1930-х годах. Вайс утверждал, что функциональная специфичность не зависит от конкретных связей аксонов, и что неспецифические механические сигналы участвуют в управлении аксонами. Последующие исследования хемотаксических сигналов, начатые в 1970-х годах, в конечном итоге доказали, что первоначальные идеи Рамона-и-Кахаля были интуитивными и опережали его время.
Механизмы роста
Механизм роста пионерных нейронов исследован в центральной и периферической нервной системе беспозвоночных животных. Наблюдения за ростом аксонов в раннем эмбриональном периоде привели к заключению, что аксоны активно направляются в определенные места. В рамках этих моделей на животных было идентифицировано несколько факторов, играющих роль в определении направления роста.
Клетки-указатели - это специализированные ранние дифференцирующиеся сенсорные клетки. Эти клетки необходимы для обеспечения навигационной информации аксонам-первопроходцам. Массивы пионерных нейронов создают короткие сегменты пионерных аксонов, простирающиеся от дистального к проксимальному отделу внутри отростка. Получающиеся траектории обусловлены ростом аксонов-пионеров от направляющих столбов к направляющим клеткам. Кроме того, пионерные аксоны могут действовать как направляющие клетки для более отдаленных пионерных нейронов. Исследования, которые включали избирательное разрушение направляющих клеток, привели к тому, что аксоны-первопроходцы стали неспособны нормально перемещаться в ЦНС от ПНС. Вместо этого первичные аксоны приняли альтернативные конфигурации и следовали разным траекториям. Кроме того, без клеток-указателей пионерные аксоны не находили стереотипного маршрута, по которому пионерные аксоны обычно перемещались бы.
Было показано, что глиальные клетки также по-разному играют роль в ведении аксонов. В частности, глиальные клетки демонстрируют взаимодействие с конусами роста пионерных аксонов. Было показано, что путь расширения конусов роста в изобилии присутствует в глиальных клетках, которые, в свою очередь, являются частью клеточной сети, включая другие промежуточные нейроны и филоподии. Глиальные клетки также участвуют в фасцикуляции и дефасцикуляции аксонов, которые играют важную роль в формировании путей, по которым в конечном итоге следует. Предлагаемый механизм включает создание каркаса из интерфейсной глии, с которой конусы роста контактируют во время установления трактов аксонов. Абляция интерфейсной глии приводит к полной потере продольных трактов пионерного аксона. Кроме того, удаление глии в более позднем эмбриональном развитии также мешает наведению ведомых аксонов, показывая, что глиальные клетки необходимы для поддержания каркаса, необходимого для контакта с конусами роста.
Хемотаксические воздействия
Множество хемотаксических сигналов обеспечивают важную передачу сигналов, управляющих направленным ростом пионерных аксонов. Хемотаксические реплики уникальны тем, что они могут быть многофункциональными и универсальными. Один хемотаксический сигнал может действовать как аттрактант или репеллент для пионерных аксонов, и может действовать как на расстоянии, так и в непосредственной близости. Более конкретно, взаимодействия между хемотаксическими сигналами и конусами роста могут предложить возможное объяснение наблюдаемого разнообразия их поведения. Направляющие молекулы активно участвуют в управлении направлениями конусов роста. Например, направляющие молекулы могут инициировать, расширять, стабилизировать или втягивать отдельные филоподии , а также привлекать различные молекулы адгезии для воздействия на их физическое состояние.
Некоторые из различных хемотаксических сигналов, которые были исследованы в механизмах пионерных аксонов, включают нетрин , эфрин , семафорин , Slit-Robo и Notch . Рецепторы для этих молекул также были изучены. Нетрины в первую очередь действуют как притяжение пионерных аксонов к средней линии. Они могут действовать на расстоянии до нескольких миллиметров, а также на близком расстоянии. Нетрины также могут действовать как репеллент. Уникальным среди хемоаттрактантов является то, что функция нетрина сохранилась среди множества видов на протяжении 600 миллионов лет. Как и нетрин, эфрин может действовать как аттрактант и репеллент. Эфрины в первую очередь играют роль в создании градиента вдоль передне-задней оси для направления развития аксонов сетчатки. Семафорины, которые впервые были идентифицированы на конкретных аксонах в ЦНС кузнечиков, функционируют в основном как тормозные сигналы ближнего действия, которые уводят первичные аксоны от менее идеальных областей. Рецепторные комплексы семафоринов включают нейропилины и плексины .
Путь передачи сигналов Slit-Robo клетки играет важную роль в управлении первичными аксонами, особенно первичными продольными аксонами. Эти аксоны, которые соединяют основные части ЦНС, в основном присутствуют во время эмбрионального развития . Семейство Slit в основном действует как репеллент по отношению к продольным аксонам, направляя их от вентральной средней линии. Утрата Slit у Drosophila вызвала присутствие продольных аксонов по средней линии. Вместе с рецептором Robo передача сигналов Slit играет роль в определении положений тракта, параллельных средней линии, для продольных аксонов, которые должны следовать во время развития. Потери либо слейте или Robo причиной дисфункцию в развитии продольных нейронов первоначальных в мозге и задняя мозг из Drosophila . Более того, было показано, что Робо играет разнообразную роль в ведении пионерных аксонов в различных областях мозга во время эмбрионального развития. В первую очередь, Robo 1 имеет решающее значение для продольного наведения аксонов в вентральном тракте, в то время как Robo 2 важен в дорсальном тракте.
Передача сигналов, ассоциированная с рецептором Notch, а также неканоническая передача сигналов Notch / Abl, как было показано, играет роль в развитии продольных пионерных нейронов в вентральном нервном канатике дрозофилы . Было показано, что рецептор Notch взаимодействует с интерфейсной глией, формируя путь, по которому могут следовать продольные пионерные нейроны. Передача сигналов Notch / Abl в пионерных нейронах увеличивает подвижность конусов роста продольных пионерных аксонов, одновременно стимулируя развитие филоподий. Также было отмечено, что передача сигналов Notch также важна для миграции нейронов в коре головного мозга млекопитающих.
Анатомия
Направленный рост аксонов зависит от структуры на конце кончика растущего аксона, называемого конусом роста. Короче говоря, конусы роста - это подвижные структуры, которые исследуют окружающую среду и, в конечном итоге, направляют расширение аксона. Реакция конусов роста на различные сигнальные молекулы определяет правильный путь и направление роста аксона. Конусы роста имеют листообразное расширение на конце, называемое ламеллиподиумом , от которого отходят тонкие отростки, называемые филоподиями . Конус роста необходим для построения нервных путей.
Хотя и пионерные аксоны, и последующие аксоны обладают конусами роста, существует несколько морфологических различий, связанных с функцией пионерных аксонов. Структура конуса роста изменяется всякий раз, когда аксон достигает территории, не иннервируемой ранее, или если требуется выбор направления. В основном ламеллиподии увеличиваются в размерах и расширяют многочисленные филоподии, чтобы собрать как можно больше сенсорной информации.
Роль в развитии нейронов
Роль первичных аксонов в развитии нейронов широко изучалась в различных системах беспозвоночных и позвоночных как в центральной нервной системе, так и в периферической нервной системе . Хотя эти эксперименты пролили свет на функции пионерных аксонов, результаты показывают противоречивую информацию о степени влияния пионерных аксонов на правильное развитие. Кроме того, другие исследования показали, что определенные клетки, которые взаимодействуют с первичными аксонами, также имеют решающее значение в конечном развитии нервных путей, и что потеря этих клеток приводит к неправильной навигации первичных аксонов. Более того, идентичные пути и гомологичные нейроны у разных видов отражают разные возможности поиска пути конусов роста в пионерных нейронах.
Было проведено исследование роли пионерных аксонов в формировании путей аксонов ЦНС и ПНС у эмбриона дрозофилы . Использование метода удаления определенных нейронов, удаление аксона aCC, который играет роль в создании межсегментарного нерва в ПНС дрозофилы , привело к тому, что три типичных ведомых аксона стали задерживаться и склонны к ошибкам поиска пути. Несмотря на эти последствия, в конечном итоге путь сформировался у большинства испытуемых. Удаление пионерных аксонов, которые формировали продольные пути в ЦНС дрозофилы, приводило к аналогичным трудностям в формировании и организации продольных путей в 70% наблюдаемых сегментов. В конечном итоге, как и в ПНС, продольные пути сформировались примерно в 80% наблюдаемых сегментов. Таким образом, было показано, что пионерные аксоны играли роль в развитии ЦНС и ПНС, а без пионерных аксонов рост последователей задерживался. Примечательно, что сформировалось большинство трактов, что указывает на то, что другие факторы играют роль в ведении аксонов, которые могут корректировать потерю пионерных нейронов.
Хотя исследования механизмов первичных аксонов в основном проводились на моделях беспозвоночных, исследования также начали изучение роли первичных аксонов в развитии крупных трактов аксонов позвоночных. Первичная модель для этих экспериментов была на рыбках данио. Как и у Drosophila , есть доказательства, показывающие, что хотя первичные аксоны играют важную роль в управлении конусами роста последующих аксонов, они могут не быть полностью необходимыми. Мозг ранних рыбок данио представляет собой идеальную среду для изучения поведения развивающихся трактов аксонов. Самые ранние дифференцирующиеся пионерные нейроны создают каркас, с которым взаимодействуют ростовые конусы последующих аксонов.
Делеция пионерных аксонов, образующих каркас, влияет на ростовые конусы нейронов ядра задней комиссуры, поскольку они не могут следовать нормальному пути распространения вентрально, а затем кзади. Несмотря на скомпрометированный каркас пионерного нейрона, ростовые конусы ведомого распространяются вентрально нормально. Однако около половины последователей неправильно следуют заднему продольному пути, в то время как другая половина делает это. Это предполагает, что другие сигналы, отличные от тех, которые исходят от первичных аксонов, играют роль в управлении ростом последующих аксонов, и что первичные аксоны могут играть разные роли в разных частях развития нейронов. В другом исследовании замена или удаление ранних ганглиозных клеток сетчатки, которые функционируют как пионерные нейроны, оказали значительно пагубное влияние на способность более поздних аксонов выходить из глаза. Было показано, что последующие взаимодействия аксонов и аксонов также необходимы, так как неправильная маршрутизация аксонов сетчатки приводила к дефасцикуляции хиазмы, телэнцефальным и вентральным проекциям заднего мозга или аберрантному пересечению в задней комиссуре .