Akson pionierski
Akson pionierski to klasyfikacja nadana aksonom , które jako pierwsze rosną w określonym regionie. Pochodzą z neuronów pionierskich i ich główną funkcją jest wyznaczanie początkowej ścieżki wzrostu, którą ostatecznie podążają kolejne rosnące aksony, zwane aksonami podążającymi, z innych neuronów.
Obecnie bada się kilka teorii związanych ze strukturą i funkcją aksonów pionierskich. Pierwsza teoria głosi, że aksony pionierskie są wyspecjalizowanymi strukturami i odgrywają kluczową rolę w prowadzeniu aksonów podążających. Po drugie, aksony pionierskie nie różnią się od aksonów podążających i nie odgrywają żadnej roli w prowadzeniu aksonów podążających.
Anatomicznie nie ma różnic między aksonami pionierskimi i podążającymi, chociaż istnieją różnice morfologiczne. Obecnie badane są mechanizmy pionierskich aksonów i ich rola w prowadzeniu aksonów . Ponadto prowadzi się wiele badań na organizmach modelowych, takich jak koniki polne, danio pręgowany i muszki owocowe, aby zbadać wpływ manipulacji aksonami pionierskimi na rozwój neuronów.
Historia
Santiago Ramon y Cajal , uważany za ojca współczesnej neuronauki , był jednym z pierwszych, którzy fizycznie zaobserwowali rosnące aksony. Co więcej, zaobserwował, że aksony rosły w sposób zorganizowany i kierowany. Opowiadał się za tym, że aksonami kierują się chemotaktyczne . Rzeczywiście późniejsze eksperymenty wykazały, że zarówno w bezkręgowców , jak i kręgowców , aksony rosły wzdłuż z góry określonych tras, tworząc powtarzalne rusztowanie nerwów.
Poglądy Ramona y Cajala napotkały pewną konkurencję w porównaniu z poglądami Paula Alfreda Weissa , jego współczesnego neurologa w latach dwudziestych i trzydziestych XX wieku. Weiss argumentował, że specyficzność funkcjonalna nie zależy od konkretnych połączeń aksonów i że w prowadzeniu aksonów biorą udział niespecyficzne sygnały mechaniczne. Późniejsze badania nad wskazówkami chemotaktyki, które rozpoczęły się w latach 70. XX wieku, ostatecznie wykazały, że początkowe pomysły Ramona y Cajala były intuicyjne i wyprzedzały swoje czasy.
Mechanizmy wzrostu
Mechanizm wzrostu neuronów pionierskich badano w ośrodkowym i obwodowym układzie nerwowym zwierząt bezkręgowych. Obserwacje wzrostu aksonów we wczesnym okresie embrionalnym doprowadziły do wniosków, że aksony są aktywnie kierowane do określonych miejsc. W tych modelach zwierzęcych zidentyfikowano kilka czynników odgrywających rolę w określaniu kierunku wzrostu.
Komórki przewodnie to wyspecjalizowane, wcześnie różnicujące się komórki czuciowe. Komórki te są niezbędne w dostarczaniu informacji nawigacyjnych pionierskim aksonom. Układy neuronów pionierskich tworzą krótkie segmenty aksonów pionierskich rozciągających się od dystalnej do proksymalnej części wyrostka robaczkowego. Powstałe trajektorie wynikają z pionierskich aksonów rosnących od drogowskazu do komórek drogowskazów. Ponadto aksony pionierskie mogą działać jako komórki prowadzące do bardziej odległych neuronów pionierskich. Badania obejmujące selektywne niszczenie komórek drogowskazów spowodowały, że aksony pionierskie nie były w stanie normalnie nawigować z PNS do OUN. Zamiast tego pionierskie aksony przyjmowały alternatywne konfiguracje i podążały różnymi trajektoriami. Ponadto bez komórek drogowskazów aksony pionierskie nie znalazły stereotypowej trasy, którą normalnie poruszałyby się aksony pionierskie.
Wykazano, że komórki glejowe również na różne sposoby odgrywają rolę w prowadzeniu aksonów. W szczególności komórki glejowe wykazują interakcję z stożkami wzrostu pionierskich aksonów. Wykazano, że trasa wydłużania się szyszek wzrostowych jest liczna w komórkach glejowych, które z kolei stanowią część siatki komórkowej, obejmującej inne neurony pośrednie i filopodia. Komórki glejowe uczestniczą również w fascykulacji i defascykulacji aksonów, które są niezbędne w kształtowaniu ostatecznie podążanych ścieżek. Proponowany mechanizm polega na utworzeniu rusztowania wykonanego z glejów stykowych, z którymi stykają się czopki wzrostowe podczas zakładania dróg aksonów. Ablacja gleju łączącego prowadzi do całkowitej utraty wzdłużnych pionierskich dróg aksonalnych. Ponadto ablacja glejów w późniejszym rozwoju embrionalnym również zakłócała prowadzenie aksonów popychaczy, co pokazuje, że komórki glejowe są niezbędne do utrzymania rusztowania potrzebnego do kontaktu z szyszkami wzrostowymi.
Wpływy chemotaktyczne
Różnorodne sygnały chemotaktyczne zapewniają niezbędną sygnalizację kierującą kierunkowym wzrostem aksonów pionierskich. Sygnały chemotaktyczne są wyjątkowe, ponieważ mogą być wielofunkcyjne i wszechstronne. Pojedynczy sygnał chemotaktyczny może zarówno działać atraktacyjnie, jak i odstraszająco na aksony pionierskie, a także może działać na odległość lub w bezpośrednim sąsiedztwie. Mówiąc dokładniej, interakcje między sygnałami chemotaktycznymi a stożkami wzrostu mogą oferować możliwe wyjaśnienie różnorodności obserwowanej w ich zachowaniu. Cząsteczki prowadzące są silnie zaangażowane w sterowanie kierunkami szyszek wzrostu. Na przykład cząsteczki kierujące mogą inicjować, rozciągać, stabilizować lub wycofywać osobnika filopodia , a także przyciągają różne cząsteczki adhezyjne, aby wpłynąć na ich stan fizyczny.
Niektóre z różnych sygnałów chemotaktycznych, które zbadano w mechanizmach aksonów pionierskich, obejmują netrynę , efrynę , semaforynę , Slit-Robo i Notch . Badano także receptory dla tych cząsteczek. Netryny działają przede wszystkim jako przyciąganie aksonów pionierskich w kierunku linii środkowej. Potrafią działać z odległości nawet kilku milimetrów, jak również działać z bliskiej odległości. Netryny mogą również działać jako repelenty. Wyjątkowość wśród chemoatraktantów polega na tym, że funkcja netryny została zachowana u różnych gatunków przez 600 milionów lat. Podobnie jak netryna, efryna może działać zarówno jako środek wabiący, jak i repelentny. Efryny odgrywają przede wszystkim rolę w ustawianiu gradientu wzdłuż osi przednio-tylnej w celu kierowania rozwojem aksonów siatkówki. Semaforyny, które po raz pierwszy zidentyfikowano na określonych aksonach w OUN konika polnego, działają przede wszystkim jako sygnały hamujące o krótkim zasięgu, które kierują aksony pionierskie z dala od mniej idealnych regionów. Kompleksy receptorowe dla semaforyn obejmują neuropiliny i pleksyny .
Szlak sygnałowy komórek Slit-Robo odgrywa ważną rolę w prowadzeniu aksonów pionierskich, zwłaszcza pionierskich aksonów podłużnych. Aksony te, które łączą główne części OUN, są obecne głównie podczas rozwoju embrionalnego . Rodzina Slit działa głównie jako środek odstraszający aksony podłużne, kierując je z dala od brzusznej linii środkowej. Utrata szczeliny u Drosophila spowodowała obecność aksonów podłużnych w linii środkowej. W połączeniu z receptorem Robo, sygnalizacja szczelinowa odegrała rolę w określaniu pozycji przewodów równoległych do linii środkowej, za którymi podążały aksony podłużne podczas rozwoju. Utrata Szczeliny lub Robo spowodowała dysfunkcję w rozwoju podłużnych neuronów pionierskich w śródmózgowie i tyłomózgowie Drosophila . _ Ponadto wykazano, że Robo odgrywa zróżnicowaną rolę w pionierskim kierowaniu aksonami w różnych obszarach mózgu podczas rozwoju embrionalnego. Przede wszystkim Robo 1 ma kluczowe znaczenie dla pionierskiego prowadzenia aksonów wzdłużnych w odcinku brzusznym, podczas gdy Robo 2 jest ważny w odcinku grzbietowym.
Wykazano, że sygnalizacja związana z receptorem Notch, jak również niekanoniczna sygnalizacja Notch/Abl, odgrywa rolę w rozwoju podłużnych neuronów pionierskich w brzusznym przewodzie nerwowym Drosophila . Wykazano, że receptor Notch oddziałuje z glejami stykowymi, tworząc ścieżkę, którą mogą podążać podłużne neurony pionierskie. Sygnalizacja Notch/Abl w neuronach pionierskich zwiększa ruchliwość stożków wzrostu podłużnych aksonów pionierskich, jednocześnie stymulując rozwój filopodiów. Zauważono również, że sygnalizacja Notch jest również ważna w migracji neuronów w korze ssaków.
Anatomia
Ukierunkowany wzrost aksonów zależy od struktury na końcu końcówki rosnącego aksonu, zwanej stożkiem wzrostu. W skrócie, stożki wzrostu to ruchliwe struktury, które badają środowisko i ostatecznie kierują przedłużeniem aksonu. Odpowiedź stożków wzrostu na różne cząsteczki sygnalizacyjne dyktuje prawidłową ścieżkę i kierunek wzrostu aksonu. Szyszki wzrostowe posiadają na końcu przypominające arkusze rozszerzenie zwane lamellipodium , z którego wychodzą drobne wyrostki zwane filopodiami . Stożek wzrostu jest niezbędny do budowy ścieżek neuronowych.
Chociaż aksony pionierskie i aksony podążające posiadają stożki wzrostu, istnieje kilka różnic morfologicznych związanych z funkcją aksonów pionierskich. Struktura stożka wzrostu zmienia się, gdy akson dociera do terytorium, które wcześniej nie było unerwione, lub gdy wymagany jest wybór kierunku. Głównie lamellipodium powiększają się i rozszerzają liczne filopodia, aby zebrać jak najwięcej informacji sensorycznych.
Rola w rozwoju neuronów
Rola aksonów pionierskich w rozwoju neuronów była szeroko badana w różnych układach bezkręgowców i kręgowców, zarówno w ośrodkowym, jak i obwodowym układzie nerwowym . Chociaż eksperymenty te rzuciły światło na funkcje aksonów pionierskich, wyniki ujawniają sprzeczne informacje na temat zakresu wpływu aksonów pionierskich na prawidłowy rozwój. Ponadto inne badania wykazały, że pewne komórki oddziałujące z aksonami pionierskimi również odgrywają kluczową rolę w ostatecznym rozwoju szlaków nerwowych, a utrata tych komórek powoduje niewłaściwą nawigację aksonów pionierskich. Co więcej, identyczne ścieżki i homologiczne neurony u różnych gatunków odzwierciedlają różne zdolności stożków wzrostu w neuronach pionierskich w zakresie wyszukiwania ścieżek.
Przeprowadzono badanie sprawdzające rolę aksonów pionierskich w tworzeniu szlaków aksonów OUN i PNS u zarodka Drosophila . Przy zastosowaniu metody ablacji określonych neuronów ablacja aksonu aCC, który odgrywa rolę w pionierstwie nerwu międzysegmentowego w PNS Drosophila , spowodowała opóźnienie trzech typowych aksonów popychaczy i podatność na błędy w znajdowaniu ścieżki. Pomimo tych konsekwencji, u większości badanych ostatecznie uformowała się ścieżka. Ablacja pionierskich aksonów, które utworzyły drogi podłużne u Drosophila OUN powodował podobne trudności w tworzeniu i organizacji szlaków podłużnych w 70% obserwowanych odcinków. Ostatecznie, podobnie jak w PNS, ścieżki podłużne utworzyły się w około 80% obserwowanych odcinków. Tym samym wykazano, że aksony pionierskie odgrywały rolę w rozwoju OUN i PNS, a bez aksonów pionierskich wzrost następców był opóźniony. Co ciekawe, większość dróg się uformowała, co wskazuje, że w prowadzeniu aksonów rolę odgrywają inne czynniki, które mogą skorygować utratę neuronów pionierskich.
Chociaż badania mechanizmów aksonów pionierskich przeprowadzono głównie na modelach bezkręgowców, rozpoczęto również badania mające na celu zbadanie roli aksonów pionierskich w rozwoju dróg aksonów dużych kręgowców. Podstawowym modelem tych eksperymentów był danio pręgowany. Podobnie jak u Drosophili istnieją dowody wskazujące, że chociaż aksony pionierskie odgrywają ważną rolę w kierowaniu stożkami wzrostu aksonów potomnych, mogą nie być całkowicie niezbędne. Mózg wczesnego danio pręgowanego stanowi idealne środowisko do badania zachowania rozwijających się dróg aksonalnych. Najwcześniej różnicujące się neurony pionierskie tworzą rusztowanie, z którym oddziałują stożki wzrostowe aksonów popychaczy.
Usunięcie pionierskich aksonów tworzących rusztowanie wpływa na stożki wzrostu neuronów jądra spoidła tylnego w ten sposób, że nie mogą one podążać normalną drogą rozciągania się w kierunku brzusznym, a następnie tylnym. Pomimo uszkodzenia rusztowania neuronów pionierskich, stożki wzrostu popychaczy normalnie rozciągają się w kierunku brzusznym. Jednakże około połowa zwolenników nie podąża prawidłowo tylną ścieżką wzdłużną, podczas gdy druga połowa tak. Sugeruje to, że inne sygnały niż te z aksonów pionierskich odgrywają rolę w kierowaniu wzrostem aksonów potomnych i że aksony pionierskie mogą odgrywać różne role w różnych częściach rozwoju neuronów. W innym badaniu zastąpienie lub usunięcie wcześnie urodzonych komórek zwojowych siatkówki, które pełnią rolę neuronów pionierskich, miało znacząco szkodliwy wpływ na zdolność późniejszych aksonów do opuszczania oka. Wykazano również, że konieczne są późniejsze interakcje akson-akson, ponieważ nieprawidłowe poprowadzenie aksonów siatkówki prowadziło do defascykulacji chiazmu, projekcji śródmózgowiowych i brzusznych do tyłumózgowia lub nieprawidłowego krzyżowania się w spoidło tylne .