Pioneer akson - Pioneer axon
Pioneer akson , belirli bir bölgede ilk gelişen aksonlara verilen sınıflandırmadır . Öncü nöronlardan kaynaklanırlar ve ana işlevi, diğer nöronlardan takip eden aksonlar olarak adlandırılan sonraki büyüyen aksonların sonunda izleyeceği ilk büyüme yolunu belirleme işlevine sahiptir.
Öncü aksonların yapısı ve işlevi ile ilgili çeşitli teoriler şu anda araştırılmaktadır. İlk teori, öncü aksonların özel yapılar olduğu ve takip eden aksonlara rehberlik etmede çok önemli bir rol oynadıklarıdır. İkincisi, öncü aksonların takipçi aksonlardan farklı olmaması ve takipçi aksonlara kılavuzluk etmede hiçbir rol oynamamalarıdır.
Anatomik olarak, morfolojik farklılıklar olsa da öncü ve takipçi aksonlar arasında hiçbir fark yoktur. Öncü aksonların mekanizmaları ve akson kılavuzluğundaki rolleri şu anda araştırılmaktadır. Ayrıca çekirge, zebra balığı ve meyve sinekleri gibi model organizmalar üzerinde öncü aksonların manipülasyonlarının nöronal gelişim üzerindeki etkilerini incelemek için pek çok çalışma yapılmaktadır.
Tarih
Modern sinirbilimin babası sayılan Santiago Ramon y Cajal , büyüyen aksonları fiziksel olarak ilk gözlemleyenlerden biriydi. Dahası, aksonların yapılandırılmış, kılavuzlu bir şekilde büyüdüğünü gözlemledi. Aksonların kemotaktik ipuçları tarafından yönlendirildiğini savundu . Nitekim daha sonra deneyler hem de gösterdi omurgasız ve omurgalı modelleri, aksonlar sinir tekrarlanabilir iskeleyi oluşturmak için önceden belirlenmiş güzergahlar boyunca büyüdü.
Ramon y Cajal'ın görüşleri , 1920'ler ve 1930'larda çağdaş sinirbilimcisi Paul Alfred Weiss'in görüşleriyle rekabet etti. Weiss, fonksiyonel özgüllüğün belirli akson bağlantılarına bağlı olmadığını ve spesifik olmayan mekanik ipuçlarının kılavuz aksonlara katıldığını savundu. 1970'lerde başlayan kemotaktik ipuçları üzerine yapılan sonraki araştırmalar, sonunda Ramon y Cajal'ın ilk fikirlerinin sezgisel ve zamanının ötesinde olduğunu kanıtladı.
Büyüme mekanizmaları
Omurgasız hayvanların merkezi ve çevresel sinir sistemlerinde öncü nöronların büyüme mekanizması araştırılmıştır. Erken embriyonik dönemde akson büyümesi gözlemleri, aksonların aktif olarak belirli yerlere yönlendirildiği sonucuna varmıştır. Bu hayvan modellerinde, büyüme yönünü belirlemede rol oynayan birkaç faktör tanımlanmıştır.
Kılavuz direk hücreleri , erken farklılaşan duyusal hücrelerdir. Bu hücreler, öncü aksonlara navigasyon bilgisi sağlamada çok önemlidir. Öncü nöron dizileri, bir uzantı içinde distalden proksimale uzanan kısa öncü akson segmentleri oluşturur. Ortaya çıkan yörüngeler, kılavuz direkten kılavuz direk hücrelere doğru büyüyen öncü aksonlardan kaynaklanmaktadır. Ek olarak, öncü aksonlar, daha uzaktaki öncü nöronlara rehberlik eden hücreler görevi görebilir. Kılavuz direk hücrelerinin seçici olarak yok edilmesini içeren çalışmalar, öncü aksonların PNS'den CNS'ye normal şekilde gidememesine neden oldu. Bunun yerine, öncü aksonlar alternatif konfigürasyonlar aldı ve farklı yörüngeleri takip etti. Ek olarak, kılavuz direk hücreleri olmadan, öncü aksonlar, öncü aksonların normalde gideceği klişeleşmiş yolu bulamadılar.
Glial hücrelerin çeşitli şekillerde akson rehberliğinde de rol oynadığı gösterilmiştir . Özellikle glial hücreler , öncü aksonların büyüme konileri ile bir etkileşim gösterir . Büyüme konilerinin uzatma yolunun, sırayla diğer ara nöronları ve filopodiyi içeren bir hücresel ağın parçası olan glial hücrelerde bol olduğu gösterilmiştir. Glial hücreler ayrıca, sonunda izlenen yolların şekillendirilmesinde temel olan aksonların fasikülasyonuna ve defasikülasyonuna da katılır. Önerilen bir mekanizma, akson yollarının kurulması sırasında konileri büyüten arayüz glia'dan yapılmış bir iskelenin oluşturulmasını içerir. Arayüz glia'nın ablasyonu, uzunlamasına öncü akson yollarının tamamen kaybolmasına yol açar. Ek olarak, daha sonraki embriyonik gelişimde glianın ablasyonu, takip eden aksonların kılavuzluğuna müdahale ederek glial hücrelerin büyüme konileriyle temas kurmak için gerekli olan iskelenin sürdürülmesinde gerekli olduğunu gösterdi.
Kemotaktik etkiler
Çeşitli kemotaktik ipuçları, öncü aksonların yönlü büyümesini yönlendiren temel sinyaller sağlar. Kemotaktik ipuçları, çok işlevli ve çok yönlü olabilmeleri açısından benzersizdir. Tek bir kemotaktik işaret hem aksonlara öncülük etmek için bir cezbedici hem de itici olarak hareket edebilir ve hem uzaktan hem de yakın çevrede çalışabilir. Daha spesifik olarak, kemotaktik ipuçları ve büyüme konileri arasındaki etkileşimler, davranışlarında gözlemlenen çeşitlilik için olası bir açıklama sunabilir. Kılavuz moleküller, büyüme konilerinin yönünü yönlendirmede büyük ölçüde rol oynarlar. Örneğin, kılavuz moleküller, tek tek filopodiyi başlatabilir, uzatabilir, stabilize edebilir veya geri çekebilir ve ayrıca fiziksel durumlarını etkilemek için çeşitli yapışma moleküllerini çekebilir.
Öncü aksonların mekanizmalarında keşfedilen çeşitli kemotaktik ipuçları arasında netrin , efrin , semaforin , Slit-Robo ve Notch bulunur . Bu moleküller için reseptörler de incelenmiştir. Netrinler, öncelikle orta hatta doğru öncü aksonların çekiciliği olarak işlev görür. Birkaç milimetreye kadar mesafeden hareket edebildikleri gibi, kısa mesafeden de hareket edebilmektedirler. Netrinler ayrıca bir itici olarak da hareket edebilir. Kemoatraktanlar arasında benzersiz olan, netrin işlevinin 600 milyon yıl boyunca çeşitli türler arasında korunmuş olmasıdır. Netrin gibi, efrin de hem cezbedici hem de itici olarak işlev görebilir. Ephrinler, retina aksonlarının gelişmesine rehberlik etmek için ön poster ekseni boyunca bir gradyan belirlemede birincil rol oynar. İlk olarak çekirge CNS'sindeki belirli aksonlarda tanımlanan semaforinler, öncü aksonları daha az ideal bölgelerden uzaklaştıran kısa menzilli engelleyici ipuçları olarak işlev görür. Semaforinler için reseptör kompleksleri arasında nöropilinler ve pleksinler bulunur .
Yarık-Robo hücre sinyal yolu, öncü aksonlara, özellikle öncü uzunlamasına aksonlara kılavuzluk etmede önemli bir rol oynar. CNS'nin büyük bölümlerini birbirine bağlayan bu aksonlar, esas olarak embriyonik gelişim sırasında mevcuttur . Slit ailesi esas olarak uzunlamasına aksonlara karşı bir itici olarak işlev görür ve onları ventral orta hattan uzaklaştırır. Drosophila'da Yarık kaybı orta hatta uzunlamasına aksonların varlığına neden oldu. Robo reseptörü ile bağlantılı olarak, Slit sinyali, gelişim sırasında uzunlamasına aksonların takip etmesi için orta hatta paralel yol konumlarının belirlenmesinde rol oynadı. Slit veya Robo'nun kaybı , Drosophila'nın orta beyin ve arka beyinlerinde uzunlamasına öncü nöronların gelişiminde işlev bozukluğuna neden oldu . Dahası, Robo'nun embriyonik gelişim sırasında beynin farklı bölgelerinde öncü akson rehberliğinde çeşitlendirilmiş bir rol oynadığı gösterilmiştir. Öncelikle Robo 1, ventral yolda öncü uzunlamasına akson rehberliği için çok önemlidir, Robo 2 ise dorsal yolda önemlidir.
Reseptör Notch ile ilişkili sinyallemenin yanı sıra kanonik olmayan Notch / Abl sinyallemesinin Drosophila ventral sinir kordunda uzunlamasına öncü nöronların gelişiminde bir rol oynadığı gösterilmiştir . Notch reseptörünün, uzunlamasına öncü nöronların izleyebileceği bir yol oluşturmak için arayüz glia ile etkileşime girdiği gösterilmiştir. Öncü nöronlardaki Çentik / Abl sinyali, uzunlamasına öncü aksonların büyüme konilerinin hareketliliğini artırırken filopodi gelişimini uyarır. Notch sinyallemesinin, memeli korteksindeki nöronların göçünde de önemli olduğu kaydedildi.
Anatomi
Aksonların yönlendirilmiş büyümesi, büyüme konisi olarak adlandırılan büyüyen bir aksonun ucundaki yapıya bağlıdır. Kısaca büyüme konileri , çevreyi araştıran ve nihayetinde aksonun genişlemesine rehberlik eden hareketli yapılardır. Büyüme konilerinin çeşitli sinyal moleküllerine tepkisi, aksonun doğru büyüme yolunu ve yönünü belirler. Büyüme konileri, uçta lamellipodyum adı verilen, filopodia adı verilen ince işlemleri genişleten tabaka benzeri bir genişlemeye sahiptir . Büyüme konisi, sinir yollarının inşası için gereklidir.
Öncü aksonların ve takip eden aksonların her ikisi de büyüme konilerine sahip olsalar da, öncü aksonların işlevi ile ilgili birkaç morfolojik farklılık vardır. Büyüme konisinin yapısı, bir akson daha önce zarar görmemiş bir bölgeye ulaştığında veya yön seçimi gerektiğinde değişir. Esas olarak, lamellipodyum, olabildiğince fazla duyusal bilgi toplamak için boyut olarak artar ve çok sayıda filopodiyi genişletir.
Nöronal gelişimdeki rolü
Nöronal gelişim öncü akson rolü hem de çeşitli omurgasız ve omurgalı sistemlerinde yaygın olarak incelenmiştir , merkezi sinir sistemi ve periferal sinir sistemi . Bu deneyler, öncü aksonların işlevlerine ışık tutsa da, sonuçlar, öncü aksonların doğru gelişim üzerindeki etkisinin kapsamına ilişkin çelişkili bilgileri ortaya çıkarmaktadır. Ek olarak, diğer çalışmalar, öncü aksonlarla etkileşime giren belirli hücrelerin, nöral yolların nihai gelişiminde de çok önemli olduğunu ve bu hücrelerin kaybının, öncü aksonların yanlış gezinmesine neden olduğunu göstermiştir. Dahası, farklı türlerdeki özdeş yollar ve homolog nöronlar, öncü nöronlarda büyüme konilerinin farklı yol bulma yeteneklerini yansıtır.
Bir Drosophila embriyosunda hem CNS hem de PNS akson yollarının oluşumunda öncü aksonların rolünü araştıran bir araştırma yapıldı . Ablate belirli nöronların bir yöntemi kullanarak, içinde intersegmental sinir öncü rol oynar ACC akson, ablasyonu Drosophila PNS, üç tipik takipçisi aksonlar sonuçlandı gecikmiş ve hataları pathfinding eğilimli olma. Bu sonuçlara rağmen, sonunda deneklerin çoğunda yol oluştu. Drosophila CNS'deki uzunlamasına yolları oluşturan öncü aksonların ablasyonu, gözlenen segmentlerin% 70'inde boylamsal yolların oluşumunda ve organizasyonunda benzer zorluklarla sonuçlandı. Nihayetinde, PNS'de olduğu gibi, uzunlamasına yollar, gözlemlenen segmentlerin yaklaşık% 80'inde oluşmuştur. Böylelikle, öncü aksonların CNS ve PNS'nin gelişiminde rol oynadığı ve öncü aksonlar olmadan takipçilerin büyümesinin geciktiği gösterildi. Dikkat çekici bir şekilde, yolların çoğunluğu, öncü nöronların kaybını düzeltebilecek akson rehberliğinde diğer faktörlerin rol oynadığını gösterir.
Öncü aksonların mekanizmalarıyla ilgili çalışmalar çoğunlukla omurgasız modellerde yapılmış olsa da, çalışmalar da büyük omurgalı akson yollarının gelişiminde öncü aksonların rolünü keşfetmeye başlamıştır. Bu deneyler için birincil model zebra balığı oldu. Olduğu gibi Drosophila , öncü aksonlar takipçisi aksonların büyüme konileri rehberlik önemli bir rol oynamaktadır rağmen, tamamen gerekli olmayabilir gösterisine kanıt yoktur. Erken zebra balıklarının beyni, gelişen akson yollarının davranışını incelemek için ideal bir ortam sunar. En erken farklılaşan öncü nöronlar, takipçi aksonların büyüme konilerinin etkileşime girdiği bir iskele oluşturur.
İskeleyi oluşturan öncü aksonların silinmesi, arka komissür çekirdeğinin nöronlarının büyüme konileri üzerinde bir etkiye sahiptir, çünkü bunlar önce ventrale sonra posterior uzanmanın normal yolunu izleyemezler. Riskli öncü nöron iskelesine rağmen, takipçi büyüme konileri normal olarak ventral olarak uzanır. Bununla birlikte, takipçilerin yaklaşık yarısı arka uzunlamasına yolu doğru takip etmezken, diğer yarısı takip etmektedir. Bu, öncü aksonlardan gelenler dışındaki diğer ipuçlarının takip eden akson büyümesine rehberlik etmede rol oynadığını ve öncü aksonların nöronal gelişimin farklı bölümlerinde farklı roller oynayabileceğini göstermektedir. Farklı bir çalışmada, öncü nöronlar olarak işlev gören erken doğan retina gangliyon hücrelerinin değiştirilmesi veya çıkarılması, sonraki aksonların gözden çıkma yeteneği üzerinde önemli ölçüde zararlı bir etkiye sahipti. Retinal aksonların yanlış yönlendirilmesi kiazm defasikülasyonuna, telensefalik ve ventral arka beyin projeksiyonlarına veya posterior komissürde anormal geçişlere yol açtığı için, sonraki akson-akson etkileşimlerinin de gerekli olduğu gösterilmiştir .