Введение

Нейробиологическая область. Направление аксона (также называемое поиском пути аксона) — это подраздел нейронного развития, посвященный процессу, посредством которого нейроны отправляют аксоны для достижения их правильных целей. Аксоны часто следуют очень точным путям в нервной системе, и то, как им удается находить свой путь с такой точностью, является областью продолжающихся исследований. Рост аксона происходит из области, называемой конусом роста, а достижение цели аксона осуществляется с помощью относительно небольшого числа направляющих молекул. Рецепторы конуса роста реагируют на направляющие сигналы.

Интеграция информации в аксонное ориентирование

Растущие аксоны полагаются на разнообразные сигналы, определяющие путь их роста. Ростные конусы растущих аксонов обрабатывают эти сигналы в сложной системе интерпретации и интеграции, обеспечивающей правильное направление роста. Эти сигналы можно функционально разделить на: адгезивные сигналы, обеспечивающие физическое взаимодействие с субстратом, необходимое для вытягивания аксона. Эти сигналы могут быть экспрессированы на глиальных и нейронных клетках, с которыми контактирует растущий аксон, или являться частью внеклеточного матрикса. Примерами служат ламинин или фибронектин во внеклеточном матриксе, а также кадерины или молекулы клеточной адгезии семейства Ig, находящиеся на поверхности клеток. Тропические сигналы, которые могут выступать в роли аттрактантов или репеллентов, вызывая изменения в подвижности ростового конуса посредством воздействия на цитоскелет через внутриклеточную сигнализацию. Например, нетрин играет роль в направлении аксонов через среднюю линию, действуя как аттрактант и репеллент, в то время как семафорин3A способствует росту аксонов от обонятельного эпителия к различным участкам обонятельной луковицы. Модуляторные сигналы, влияющие на чувствительность ростовых конусов к определенным сигналам. Например, нейротрофины могут снизить чувствительность аксонов к репеллентному действию семафорина3A. Учитывая обилие этих различных сигналов, ранее считалось, что ростовые конусы интегрируют информацию, просто суммируя градиенты сигналов различной валентности в определенный момент времени для принятия решения о направлении роста. Однако исследования в нервной системе позвоночных, посвященные аксонам, пересекающим вентральную среднюю линию, показали, что модуляционные сигналы играют ключевую роль в настройке реакции аксонов на другие сигналы, что указывает на нелинейность процесса направления роста аксонов. Например, комиссуральные аксоны привлекаются нетрином и отталкиваются слитом. Однако по мере приближения аксонов к средней линии репеллентное действие слита подавляется рецептором Robo 3/Rig 1. После пересечения средней линии активация Robo слитом подавляет аттракцию, опосредованную нетрином, и аксоны отталкиваются слитом.

Пионерские аксоны

Формирование нервного тракта подчиняется нескольким основным правилам. Как в нервных системах беспозвоночных, так и позвоночных, начальные нервные тракты формируются пионерными аксонами пионерных нейронов. Эти аксоны следуют воспроизводимому пути, останавливаются на промежуточных мишенях и разветвляются в определенных точках выбора, в процессе поиска своего конечного пункта назначения. Этот принцип иллюстрируется ростом аксонов сенсорных нейронов в ЦНС у насекомых. В ходе развития конечностей проксимальные нейроны первыми формируют аксональные пучки, направляясь к ЦНС. На более поздних стадиях роста конечностей аксоны более дистальных нейронов фасцикулируют с этими пионерными аксонами. Удаление пионерных нейронов нарушает рост последующих аксонов, предназначенных для иннервации ЦНС. При этом стоит отметить, что в большинстве случаев пионерные нейроны не обладают уникальными характеристиками, и их роль в аксональном наведении может быть замещена другими нейронами. Например, в системах ретинотектальных связей у Ксенопуса пионерные аксоны ганглиозных клеток сетчатки берут начало в дорсальной части глаза. Однако, если дорсальная половина глаза заменяется менее зрелой дорсальной частью, вентральные нейроны могут заменить пионерный путь дорсальных клеток после некоторой задержки. Исследования сетчатки рыбы-зебры показали, что ингибирование нейронной дифференцировки ранних предшественников сетчатки предотвращает выход аксонов из глаза. То же исследование продемонстрировало аберрантные траектории роста вторичных нейронов, следующие за ростом пионерных аксонов, у которых отсутствует рецептор наведения. Таким образом, хотя степень наведения, обеспечиваемого пионерными аксонами, остаётся предметом дискуссий и может варьироваться в разных системах, пионерные пути явно предоставляют последующим проекциям сигналы наведения и повышают их способность находить цель.

Роль глиа

Первые растущие аксоны в пути тесно взаимодействуют с незрелыми клетками глии. При формировании мозолистого тела позвоночных примитивные глиальные клетки сначала мигрируют в эпендимальные зоны полушарий и дорсальную септальную стенку, чтобы сформировать временную структуру, которую пионерные аксоны волокон мозолистого тела используют для роста. Сигнализация между глией и нейронами в развивающейся нервной системе является взаимной. Например, в зрительной системе мухи аксонам фоторецепторов требуется глия для выхода из зрительного стебелька, в то время как глиальные клетки полагаются на сигналы от нейронов для миграции обратно вдоль аксонов.

Направления

Во время роста аксоны также полагаются на временные нейронные структуры, такие как клетки-ориентиры, в процессе поиска пути. В зрительной системе мыши правильное формирование зрительного перекреста зависит от V-образной структуры временных нейронов, которые пересекаются со специализированной радиальной глией на средней линии перекреста. Аксоны перекреста растут вдоль и вокруг этой структуры, но не проникают внутрь нее. Другой пример – субпластина в развивающейся коре головного мозга, представляющая собой временной слой нейронов под субвентрикулярной зоной, который служит ориентиром для аксонов, входящих в постоянные слои коры. Субпластина схожа с нейронами перекреста тем, что эти группы клеток исчезают (или трансформируются в другие типы клеток) по мере созревания мозга. Эти данные указывают на то, что временные популяции клеток могут выполнять важную направляющую функцию, даже если они не функционируют в зрелой нервной системе.

Изучение направления аксонов

Самые ранние описания аксонального конуса роста были сделаны испанским нейробиологом Сантьяго Рамоном-и-Кахалем в конце XIX века. Однако понимание молекулярной и клеточной биологии наведения аксонов началось лишь десятилетия спустя. За последние тридцать лет ученые использовали различные методы, чтобы выяснить, как аксоны находят свой путь. Значительная часть ранних исследований в области наведения аксонов была проведена на кузнечиках, где отдельные мотонейроны были идентифицированы и их пути охарактеризованы. В генетических модельных организмах, таких как мыши, данио-рерио, нематоды и дрозофилы, ученые могут создавать мутации и наблюдать, вызывают ли они ошибки в навигации аксонов. Эксперименты in vitro могут быть полезны для непосредственной манипуляции растущими аксонами. Распространенным методом является культивирование нейронов и воздействие на конусы роста очищенными факторами наведения, чтобы выяснить, приводят ли они к повороту растущих аксонов. Эксперименты такого типа часто проводились с использованием традиционных эмбриологических модельных организмов, не являющихся генетическими, таких как курица и африканская когтистая жаба. Эмбрионы этих видов легко получить, и, в отличие от млекопитающих, развиваются вне организма и легко поддаются экспериментальным манипуляциям.

Системы моделирования направления по оси

Несколько типов аксонных путей были широко изучены в модельных системах для более глубокого понимания механизмов аксонального роста. Два наиболее известных из них – это комиссуры и топографические карты. Комиссуры – это области, где аксоны пересекают срединную линию нервной системы с одной стороны на другую. Топографические карты – это системы, в которых группы нейронов в одной ткани проецируют свои аксоны в другую ткань организованным образом, сохраняя пространственные отношения; то есть соседние нейроны иннервируют соседние области целевой ткани.

Вентральный нервный узел дрозофилы

Использование мощных генетических инструментов в Drosophila привело к идентификации ключевого класса сигналов, направляющих рост аксонов, – Слитов, и их рецепторов, Robos (сокращение от Roundabout). Вентральный нервный тяж выглядит как лестница, с тремя продольными пучками аксонов (фасцикулами), соединенными комиссурами – "перекладинами" лестницы. В каждом сегменте эмбриона есть две комиссуры: передняя и задняя. Современная модель предполагает, что Slit, продуцируемый клетками срединной линии, отталкивает аксоны от нее через рецепторы Robo. Аксоны, проецирующие ипсилатерально (не пересекающие), всегда имеют рецепторы Robo на своей поверхности, в то время как комиссуральные аксоны содержат очень мало или не содержат Robo, что позволяет им быть привлеченными к срединной линии нетринами и, вероятно, другими пока не идентифицированными сигналами. Однако после пересечения срединной линии экспрессия рецепторов Robo на аксоне резко возрастает, что позволяет отталкиванию, опосредованному Robo, преодолеть притяжение к срединной линии. Это динамическое регулирование Robo, по крайней мере частично, осуществляется молекулой Comm (сокращение от Commissureless), которая препятствует доставке Robo на клеточную поверхность и направляет его на деградацию.

Позвоночник мышей и кур

В спинном мозге позвоночных комиссуральные нейроны из дорсальных областей проецируются вниз к вентральной пластинке пола. Ипсилатеральные аксоны поворачивают до достижения пластинки пола и растут продольно, тогда как комиссуральные аксоны пересекают срединную линию и совершают продольный поворот на контралатеральной стороне. Примечательно, что Netrins, Slits и Robos играют схожие функциональные роли в этой системе. Долгое время оставалось загадкой кажущееся отсутствие гена *comm* у позвоночных. Теперь выясняется, что по крайней мере некоторые функции Comm выполняет модифицированная форма Robo, известная как Robo3 (или Rig1). Система спинного мозга впервые наглядно продемонстрировала изменение чувствительности ростовых конусов к сигналам после контакта со срединной линией. Нейроны, культивируемые после эксплантации, реагировали на экзогенно добавленный Slit в зависимости от того, контактировали ли они с тканью пластинки пола.

Топографические карты: наклон для ориентирования

Как описано выше, топографические карты возникают, когда пространственные отношения сохраняются между нейронными популяциями и их целевыми полями в другой ткани. Это ключевая особенность организации нервной системы, особенно в сенсорных системах. Нейробиолог Роджер Сперри предложил дальновидную модель топографического картирования, опосредованную тем, что он назвал молекулярными "метками". Относительное количество этих меток изменяется по градиенту в обеих тканях. Сейчас мы рассматриваем эти метки как лиганды (сигналы) и их аксональные рецепторы. Наиболее хорошо изученным классом меток являются лиганды эфринов и их рецепторы – Эфы. В простейшей модели картирования можно представить градиент уровня экспрессии рецептора Эф в поле нейронов, например, в сетчатке, где передние клетки экспрессируют очень низкие уровни, а клетки в задней части – самые высокие. В то же время, в мишени клеток сетчатки (в оптическом тектуме) лиганды эфрина организованы в аналогичном градиенте: высокий уровень в задней части к низкому в передней. Аксоны сетчатки входят в передний тектум и продвигаются в заднюю его часть. Поскольку, как правило, аксоны, несущие Эфы, отталкиваются эфринами, аксоны будут все менее склонны продвигаться по мере приближения к заднему тектуму. Однако степень отталкивания определяется собственным уровнем экспрессии Эф, который задается положением тела нейрона в сетчатке. Таким образом, аксоны из передней сетчатки, экспрессирующие самый низкий уровень Эфов, могут проецироваться в задний тектум, несмотря на высокую концентрацию эфринов в этой области. Задние клетки сетчатки экспрессируют высокий уровень Эф, и их аксоны останавливаются в более передней части тектума.

Ретинотектальная проекция куриц, лягушек и рыб

Из-за больших размеров и доступности куриного эмбриона он стал одним из самых популярных модельных организмов для эмбриологов. Исследователи использовали цыпленка для биохимической очистки компонентов из крышеного мозга (tectum), которые проявляли специфическую активность в отношении аксонов сетчатки в культуре. Это привело к идентификации Эф и Эфринов как гипотетических "меток", предложенных Сперри. Ретинотектальная проекция также изучалась у лягушки Ксенопус и данио-рерио (рыбы-зебры). Данио-рерио представляет собой потенциально мощную систему, поскольку генетические скрининги, подобные тем, что проводятся на беспозвоночных, можно проводить относительно просто и недорого. В 1996 году в данио-рерио были проведены масштабные скрининги, в том числе скрининги для изучения навигации и картирования аксонов сетчатки. Многие из полученных мутантов еще не изучены.

Биологические исследования

Генетика и биохимия выявили обширный набор молекул, влияющих на наведение аксонов. То, как все эти элементы взаимодействуют друг с другом, остается менее понятным. Большинство рецепторов, участвующих в наведении аксонов, активируют каскады передачи сигналов, которые в конечном итоге приводят к реорганизации цитоскелета и изменению адгезионных свойств ростового конуса, что в совокупности определяет подвижность всех клеток. Это хорошо изучено на корковых нейронах млекопитающих. Однако это ставит вопрос о том, как одни и те же сигналы могут вызывать широкий спектр реакций у разных ростовых конусов. Возможно, различные рецепторы активируют притяжение или отталкивание в ответ на один и тот же сигнал. Другая возможность заключается в том, что комплексы рецепторов функционируют как "детекторы совпадений", модифицируя ответ на один сигнал в присутствии другого. Аналогичный "перекрестный разговор" в передаче сигналов может происходить внутриклеточно, ниже по течению от рецепторов на клеточной поверхности. Фактически, было показано, что рост комиссуральных аксонов может быть притягательным, подавленным или заблокированным в присутствии активированного Netrin рецептора DCC. Эта вариабельность активности зависит от экспрессии рецепторов Robo или UNC 5 в ростовых конусах. Так, активация Robo-рецептора Slit приводит к подавлению привлекательного потенциала Netrin через DCC-рецептор. В то время как ростовые конусы, экспрессирующие UNC 5-рецептор, реагируют отталкивающе на активацию Netrin-DCC. Эти события происходят в результате цитоплазматических взаимодействий между активированным Netrin DCC-рецептором и Robo или UNC 5-рецептором, что в конечном итоге изменяет цитоплазматическую сигнализацию DCC. Таким образом, вырисовывается картина того, что продвижение ростового конуса – это высоко сложный процесс, подверженный пластичности под влиянием сигналов наведения, экспрессии рецепторов, взаимодействий между рецепторами и последующих сигнальных механизмов, влияющих на ремоделирование цитоскелета.

Перевод конуса роста в направляемых аксонах

Способность аксонов ориентироваться и корректировать реакцию на различные внеклеточные сигналы на больших расстояниях от клеточного тела побудила исследователей изучить внутренние свойства ростовых конусов. Недавние исследования показывают, что сигналы направления могут влиять на пространственно-временные изменения в аксонах, модулируя локальный синтез и деградацию белков в ростовых конусах. Более того, эта активность, по-видимому, происходит независимо от дистальной экспрессии генов в ядре. Фактически, у ганглиозных клеток сетчатки (RGC) с отсеченными аксонами сомы, ростовые конусы продолжают отслеживать и иннервировать тектум эмбрионов *Xenopus*. Для обеспечения этой активности, ростовые конусы, как полагают, накапливают мРНК, кодирующие рецепторы и внутриклеточные сигнальные белки, участвующие в ремоделировании цитоскелета. В ретинотектальных проекционных системах *Xenopus* было показано, что экспрессия этих белков подвержена влиянию сигналов направления и последующей активации местного аппарата трансляции. Привлекательный сигнал Netrin 1 стимулирует транспорт мРНК и влияет на синтез β-актина в филоподиях ростовых конусов, что приводит к реструктуризации и направлению ростовых конусов RGC в направлении секреции Netrin 1. В то время как отталкивающий сигнал Slit предположительно стимулирует трансляцию Cofilin (актин-деполимеризующего фактора) в ростовых конусах, вызывая отталкивание аксонов. Кроме того, у цыплят, у которых отрезаны комиссуральные аксоны, наблюдается способность к трансляции и экспрессии рецептора Eph A2 при пересечении средней линии. В результате, исследования показывают, что локальный синтез белка является удобным механизмом для объяснения быстрой, динамичной и автономной природы продвижения ростового конуса в ответ на направляющие молекулы.

Гипотеза роста аксонов и консенсусная динамика коннектомы

Современные методы диффузионно-взвешенной МРТ также могут выявить макроскопический процесс развития аксонов. Коннектома, или мозговой граф, может быть построена на основе данных диффузионной МРТ: вершины графа соответствуют анатомически выделенным областям мозга, и две такие вершины, скажем, u и v, соединены ребром, если на этапе трактографии обработки данных обнаружено аксональное волокно, соединяющее эти две области, соответствующие u и v. Многочисленные мозговые графы, рассчитанные в рамках проекта "Human Connectome Project", можно загрузить с сайта http://braingraph.org. Консенсусная динамика коннектома (CCD) – это замечательное явление, обнаруженное путем непрерывного уменьшения минимального параметра достоверности в графическом интерфейсе Будапештского референсного сервера коннектома. Будапештский референсный сервер коннектома отображает мозговые связи n=418 испытуемых с параметром частоты k: для любого k=1, 2, ..., n можно просмотреть граф ребер, присутствующих как минимум в k коннектомах. Если параметр k последовательно уменьшается от k=n до k=1, то в графе появляется все больше ребер, поскольку условие включения становится менее строгим. Удивительным наблюдением является то, что появление ребер далеко не случайно: оно напоминает растущую, сложную структуру, такую как дерево или кустарник (визуализировано на рисунке). Предполагается, что растущая структура отражает развитие аксонов в человеческом мозге: самые ранние развивающиеся связи (аксональные волокна) распространены у большинства испытуемых, а связи, развивающиеся впоследствии, имеют все большую дисперсию, поскольку их вариации накапливаются в процессе развития аксонов.

Генетическая ассоциация

Направление роста аксона генетически связано с другими характеристиками или признаками. Например, анализ обогащения различных сигнальных путей выявил генетическую связь с объемом внутричерепного пространства.