Постоянные перекрестные помехи между моторными (показаны зеленым) и сенсорными (показаны красным) нервами гарантируют, что два разных типа нейронов соединятся после того, как они выходят из спинного мозга, но разделятся на отдельные пучки, содержащие либо сенсорные, либо моторные аксоны, но никогда оба сразу. Предоставлено Бенджамином В. Галларда и Шейн Э. Эндрюс, Институт биологических исследований Солка
Летом мы снова будем восхищаться удивительными спортивными навыками олимпийских спортсменов, хотя на самом деле простая ходьба не менее замечательна. Чтобы не допустить падения, нервно-мышечная цепь, которая контролирует все движения тела, полагается на постоянную сенсорную обратную связь с периферии, чтобы точно настроить свои команды на сотни мышц.
Но все еще остается неясным, как во время эмбрионального развития сенсорные и моторные нейроны включаются в тесно скоординированные пути, не смешиваясь. В исследовании, опубликованном в текущем выпуске журнала Science, ученые из Института биологических исследований Солка сообщают, что постоянные перекрестные помехи между растущими сенсорными и двигательными нейронами позволяют им не сбиться с пути.
Скелетная мышца состоит из тысяч мышечных волокон, каждое из которых контролируется одним двигательным нейроном в спинном мозге, который соединяется с отдельными мышечными волокнами и передает сигналы из головного мозга. Сенсорные рецепторы растяжения, которые расположены в большинстве мышц, а также рецепторы температуры, давления и боли, все отправляют информацию обратно в центральную нервную систему.
«Если вы посмотрите на поперечный разрез нервного пучка, это действительно смесь проводов. Некоторые провода посылают сигналы из спинного мозга, а другие – в спинной мозг », – объясняет Сэмюэл Пфафф, доктор философии.D, профессор Лаборатории экспрессии генов, который вместе с бывшим докторантом Тиллем Марквардтом, доктором философии.D., в настоящее время руководитель группы в Европейском институте неврологии в Геттингене руководил исследованием. «Моторные и сенсорные нервы похожи на проезжую часть с упорядоченным движением в обоих направлениях, оставаясь в своих полосах движения», – добавляет он.
Во время эмбрионального развития нервные клетки нерешительно расширяют выступы, похожие на щупальца, называемые аксонами. Конусы роста, небольшие увеличения на концах аксонов активно ищут в окружающей среде химические сигналы, которые направляют их к своей цели. Один из таких сигналов исходит от класса молекул, называемых эфринами, которые отталкивают клетки, несущие белки Eph, мягко подталкивая их в правильном направлении.
Традиционная точка зрения заключалась в том, что ростовые конусы, усеянные белками Eph, которые берут на себя роль рецепторов, ищут в своей среде эфрины, которые берут на себя роль лигандов. Во время работы в качестве постдокторского исследователя в лаборатории Пфаффа Марквардт обнаружил, что нейроны не только несут оба типа белков, но также может измениться роль эфринов и эфиров.
«Тот факт, что нейроны могут выражать рецепторы и лиганды и что все может быть рецептором или лигандом, поднял вопрос, что происходит, когда у вас есть два нейрона, которые растут рядом друг с другом и иногда сталкиваются друг с другом», – говорит Пфафф. Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи Солка остановились на сенсорных и моторных нейронах, которые распространяют свои аксоны по тому же пути к периферии.
Во-первых, соавторы Бенджамин В. Галларда и Дарио Бонаноми, доктор философии.D., генерировали мышей, которые позволяли им генетически различать сенсорные и моторные нейроны с разными «метками». При интактной передаче сигналов эфрина / Eph их аксоны соединяются после того, как они вышли из спинного мозга, но рассортированы в отдельные пучки, содержащие либо сенсорные, либо моторные аксоны, но никогда оба сразу. Когда исследователи удалили EphA3 и EphA4 из моторных нейронов, прервав перекрестный разговор через разделительную полосу, все пошло не так.
Сортировка между пучками моторных и сенсорных аксонов была нарушена, и вместо того, чтобы дотянуться до мышц, некоторые мотонейроны покинули свою полосу движения, сделали разворот, присоединились к сенсорной полосе и направились обратно к спинному мозгу. «Это была настоящая кабельная катастрофа», – говорит Пфафф. «Похоже, что эфрин и Eph не только контролируют решение, где эти аксоны растут на периферии, но также поддерживают нормальное расположение между моторным и сенсорным путями.”
Команда ephrin / Eph tag не только помогает двигательным нервным клеткам тела расти по правильному пути во время эмбрионального развития, но также играет важную роль в предотвращении регенерации нейронов спинного мозга после травм. В надежде убедить поврежденные нейроны восстановить разорванные связи, исследователи в области спинного мозга усердно работают, пытаясь преодолеть блок, который предотвращает рост аксонов в центральной нервной системе.
«Наши выводы подчеркивают, что это нужно делать осторожно. Если вы будете способствовать беспорядочному росту моторных аксонов, это может вызвать множество проблем », – предупреждает Пфафф. «Есть много примеров обширной реорганизации нейронов после травм спинного мозга, и одним из побочных продуктов, которые часто недооценивают, является сильная боль.”
Источник: Институт Солка