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.
Axon guidance (also called axon pathfinding) is a subfield of neural development concerning the process by which neurons send out axons to reach their correct targets. Axons often follow very precise paths in the nervous system, and how they manage to find their way so accurately is an area of ongoing research. Axon growth takes place from a region called the growth cone and reaching the axon target is accomplished with relatively few guidance molecules. Growth cone receptors respond to the guidance cues.
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.
Adhesive cues, that provide physical interaction with the substrate necessary for axon protrusion. These cues can be expressed on glial and neuronal cells the growing axon contacts or be part of the extracellular matrix. Examples are laminin or fibronectin, in the extracellular matrix, and cadherins or Ig family cell adhesion molecules, found on cell surfaces. Tropic cues, that can act as attractants or repellents and cause changes in growth cone motility by acting on the cytoskeleton through intracellular signaling. For example, Netrin plays a role in guiding axons through the midline, acting as both an attractant and a repellent, while Semaphorin3A helps axons grow from the olfactory epithelium to map different locations in the olfactory bulb. Modulatory cues, that influence the sensitivity of growth cones to certain guidance cues. For instance, neurotrophins can make axons less sensitive to the repellent action of Semaphorin3A. Given the abundance of these different guidance cues it was previously believed that growth cones integrate various information by simply summing the gradient of cues, in different valences, at a given point in time, to making a decision on the direction of growth. However, studies in vertebrate nervous systems of ventral midline crossing axons, has shown that modulatory cues play a crucial part in tuning axon responses to other cues, suggesting that the process of axon guidance is nonlinear. For example, commissural axons are attracted by Netrin and repelled by Slit. However, as axons approach the midline, the repellent action of Slit is suppressed by Robo 3/Rig 1 receptor. Once the axons cross the midline, activation of Robo by Slit silences Netrin mediated attraction, and the axons are repelled by Slit.
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.