Informácie

Rast v neurónoch

Rast v neurónoch


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Vieme, že neuróny sa nedelia, ale ako sa to potom prispôsobí telu, keď rastieme? Tie existujúce sa len predlžujú alebo naozaj rozdeľujú?


Neuróny modulujú rast krvných ciev

Tím výskumníkov z Karlsruhe Institute of Technology (KIT) otriasol základmi dogmy o bunkovej biológii. Podrobnou sériou experimentov dokázali, že rast krvných ciev je modulovaný neurónmi a nie, ako sa doteraz predpokladalo, prostredníctvom kontrolného mechanizmu buniek ciev medzi sebou. Výsledky sú prelomové pre výskum a liečbu cievnych ochorení, nádorov a neurodegeneratívnych ochorení. Štúdia bude publikovaná v časopise Prírodné komunikácie.

"Naša práca je čistým základným výskumom," hovorí profesor Ferdinand le Noble zo Zoologického inštitútu KIT, "ale poskytuje úplne nový pohľad na to, ako krvné cievy rastú, rozvetvujú sa alebo sú brzdené v ich raste." Vedci už desaťročia hľadajú spôsoby, ako podporiť alebo spomaliť tvorbu nových krvných ciev. Zatiaľ čo pacienti s infarktom a mozgovou príhodou by profitovali z nových tepien, pacienti s rakovinou by profitovali z hladovania nádorov tým, že by zastavili rast krvných ciev.

Kľúčovými postavami v novoobjavenom mimoriadne jemne vyváženom procese sú signálne molekuly: brzda rastu „rozpustná FMS tyrozínkináza-1“ označovaná ako 1sFlt1 a „vaskulárny endotelový rastový faktor“ označovaný ako VEGF. Aj keď doteraz bolo veľkou neznámou, ako je VEGF regulovaný telom, inhibícia tohto rastového faktora sa už roky používa pri liečbe pacientov s rakovinou a niektorých očných ochorení. Terapia je však úspešná len u časti pacientov a má viacero nežiaducich vedľajších účinkov.

"Doteraz výskum predpokladal, že krvné cievy viac-menej regulujú svoj vlastný rast," vysvetľuje le Noble. "V prípade nedostatku kyslíka," zdôrazňuje, "tkanivo okrem iného uvoľňuje rastový faktor VEGF, čím priťahuje krvné cievy nesúce na svojom povrchu receptory VEGF. Chceli sme vedieť, ako je tento rast krvných ciev v súčasnosti regulovaný o narodení stvorenia." Tím okolo le Noble preto študoval nepretržitý rast nervových dráh a obehových ciev v modelových organizmoch zebričiek. Vajíčka zebričiek sú priehľadné a vyvíjajú sa mimo tela matky, čo umožňuje výskumníkom sledovať a pozorovať vývoj orgánov alebo dokonca jednotlivých buniek bez toho, aby zranili rastúce zviera.

Postgraduálny Raphael Wild pomocou fluorescenčných farbív v prvom kroku zdokumentoval kolonizáciu neurónových kmeňových buniek a následné vaskulárne pučanie v vertebrálnom kanáli zebričiek. Na pochopenie presného procesu tím začal podrobnú biochemickú a genetickú analýzu.

Vedci dokázali, že v rôznych vývojových štádiách nervové bunky miechy produkujú viac alebo menej sFlt1 a VEGF a týmto spôsobom modulujú vývoj krvných ciev. V počiatočnom štádiu vývoja neurónový sFlt1 brzdí rast krvných ciev väzbou a inaktiváciou rastového faktora VEGF. V mieche to vytvára prostredie chudobné na kyslík, čo je nevyhnutné pre skorý vývoj neurónových kmeňových buniek. So zvyšujúcou sa diferenciáciou nervových buniek koncentrácia rozpustného sFlt1 neustále klesá a brzda vaskulárneho rastu sa uvoľňuje, pretože je teraz k dispozícii aktívnejší VEGF. Následne krvné cievy vrastú do mladej miechy, aby jej poskytli kyslík a živiny.

Okrem toho Raphael Wild a jeho kolegyňa Alina Klems ukázali, že koncentrácia rastového faktora je rozhodujúca z hľadiska hustoty rozvíjajúcej sa siete krvných ciev. Zatiaľ čo pri úplnom vypnutí „brzdy“ sFlt1 v nervových bunkách sa vytvorila hustá sieť krvných ciev, ktoré prerástli až do vertebrálneho kanála, pri zvýšení sFIt1 bol rast krvných ciev potlačený. Aj malé odchýlky v koncentrácii látky tak viedli k závažným poruchám vaskulárneho vývoja.

Pretože vaskulárne bunky majú tiež vlastné formy sFlt1 a VEGF, vyvstala otázka, či sa rast krvných ciev môže do určitej miery sám regulovať. Aby to vedci zistili, použili ešte mladú a mimoriadne elegantnú metódu CRISPR/Cas: Zatiaľ čo pri vypnutí sFlt1 nedošlo k žiadnemu účinku iba vo vaskulárnych bunkách, pri vypnutí produkcie sFlt1 v r. len nervové bunky.

„Z výsledkov usudzujeme, že jemnou moduláciou sFlt1 a VEGF nervové bunky veľmi dynamicky regulujú hustotu siete svojich ciev podľa požiadaviek alebo podľa príslušného vývojového štádia,“ upozorňuje Le Noble. "Predchádzajúci predpoklad, že rastúce bunky krvných ciev kontrolujú následné cievne bunky, je dogma bunkovej biológie, ktorej základy sa otriasajú."


Obsah

Centrálny nervový systém stavovcov (CNS) je odvodený z ektodermy – najvonkajšej zárodočnej vrstvy embrya. Časť dorzálnej ektodermy sa špecifikuje na nervovú ektodermu – neuroektodermu, ktorá tvorí nervovú platničku pozdĺž dorzálnej strany embrya. [3] Toto je časť raného vzorovania embrya (vrátane embrya bezstavovcov), ktorá tiež vytvára predo-zadnú os. [4] Nervová platnička je zdrojom väčšiny neurónov a gliových buniek CNS. Nervová drážka sa vytvára pozdĺž dlhej osi nervovej platničky a nervová platnička sa prehýba, aby vznikla nervová trubica. [5] Keď je trubica uzavretá na oboch koncoch, je naplnená embryonálnym cerebrospinálnym mokom. [6] Ako sa embryo vyvíja, predná časť nervovej trubice sa rozširuje a vytvára tri primárne mozgové vezikuly, ktoré sa stávajú predným mozgom (prosencephalon), stredným mozgom (mesencephalon) a zadným mozgom (rhombencephalon). Tieto jednoduché, skoré vezikuly sa zväčšujú a ďalej sa delia na telencephalon (budúca mozgová kôra a bazálne gangliá), diencephalon (budúci talamus a hypotalamus), mesencephalon (budúce colliculi), metencephalon (budúci most a cerebellum) a myelencephalon (budúca dreň). [7] Centrálna komora naplnená CSF je súvislá od telencephalon po centrálny kanál miechy a tvorí vyvíjajúci sa komorový systém CNS. Embryonálny mozgovomiechový mok sa líši od mozgovomiechového moku vzniknutého v neskorších vývojových štádiách a od dospelého likvoru ovplyvňuje správanie neurálnych prekurzorov. [6] Pretože z nervovej trubice vzniká mozog a miecha, akékoľvek mutácie v tomto štádiu vývoja môžu viesť k smrteľným deformáciám, ako je anencefália alebo celoživotné postihnutie, ako je rázštep chrbtice. Počas tejto doby obsahujú steny nervovej trubice nervové kmeňové bunky, ktoré riadia rast mozgu, pretože sa mnohokrát delia. Postupne sa niektoré bunky prestávajú deliť a diferencujú sa na neuróny a gliové bunky, ktoré sú hlavnými bunkovými zložkami CNS. Novo vygenerované neuróny migrujú do rôznych častí vyvíjajúceho sa mozgu, aby sa samoorganizovali do rôznych mozgových štruktúr. Keď neuróny dosiahnu svoje regionálne pozície, rozširujú axóny a dendrity, čo im umožňuje komunikovať s inými neurónmi prostredníctvom synapsií. Synaptická komunikácia medzi neurónmi vedie k vytvoreniu funkčných nervových obvodov, ktoré sprostredkovávajú senzorické a motorické spracovanie a sú základom správania. [8]

Niektoré medzníky neurálneho vývoja zahŕňajú narodenie a diferenciáciu neurónov z prekurzorov kmeňových buniek, migráciu nezrelých neurónov z ich rodísk v embryu do ich konečných pozícií, vyrastanie axónov a dendritov z neurónov, vedenie pohyblivého rastového kužeľa cez embryo. smerom k postsynaptickým partnerom, generovanie synapsií medzi týmito axónmi a ich postsynaptickými partnermi a nakoniec celoživotné zmeny v synapsiách, o ktorých sa predpokladá, že sú základom učenia a pamäte.

Tieto neurovývojové procesy možno zvyčajne rozdeliť do dvoch tried: mechanizmy nezávislé od aktivity a mechanizmy závislé od aktivity. Vo všeobecnosti sa predpokladá, že mechanizmy nezávislé od aktivity sa vyskytujú ako pevne zapojené procesy určené genetickými programami, ktoré sa odohrávajú v jednotlivých neurónoch. Patrí medzi ne diferenciácia, migrácia a vedenie axónov do ich počiatočných cieľových oblastí. Tieto procesy sa považujú za nezávislé od nervovej aktivity a zmyslových skúseností. Akonáhle axóny dosiahnu svoje cieľové oblasti, do hry vstupujú mechanizmy závislé od aktivity. Hoci je tvorba synapsií udalosťou nezávislou od aktivity, modifikácia synapsií a eliminácia synapsií vyžaduje nervovú aktivitu.

Vývojová neuroveda využíva rôzne zvieracie modely vrátane myší Mus musculus, ovocná muška Drosophila melanogaster, zebrička Danio Rerio, žaba Xenopus laevisa škrkavka Caenorhabditis elegans.

Myelinizácia, tvorba lipidového myelínového obalu okolo neurónových axónov, je proces, ktorý je nevyhnutný pre normálnu funkciu mozgu. Myelínový obal poskytuje izoláciu pre nervový impulz pri komunikácii medzi nervovými systémami. Bez neho by bol impulz narušený a signál by nedosiahol svoj cieľ, čím by sa narušilo normálne fungovanie. Pretože k veľkej časti vývoja mozgu dochádza v prenatálnom štádiu av detstve, je dôležité, aby myelinizácia spolu s kortikálnym vývojom prebiehala správne. Zobrazovanie magnetickou rezonanciou (MRI) je neinvazívna technika používaná na vyšetrenie myelinizácie a kortikálneho dozrievania (kôra je vonkajšia vrstva mozgu zložená zo šedej hmoty). Namiesto zobrazenia skutočného myelínu MRI zachytáva frakciu myelínovej vody, čo je miera obsahu myelínu. Viaczložková relaxometria (MCR) umožňuje vizualizáciu a kvantifikáciu obsahu myelínu. MCR je tiež užitočná na sledovanie dozrievania bielej hmoty, ktorá hrá dôležitú úlohu v kognitívnom vývoji. Zistilo sa, že v detstve sa myelinizácia vyskytuje v kaudálno-kraniálnom, odzadu-prednom vzore. Pretože existuje len málo dôkazov o vzťahu medzi myelinizáciou a hrúbkou kôry, ukázalo sa, že hrúbka kôry je nezávislá od bielej hmoty. To umožňuje, aby rôzne aspekty mozgu rástli súčasne, čo vedie k plne vyvinutému mozgu. [9]

Počas skorého embryonálneho vývoja stavovca sa dorzálny ektoderm špecifikuje tak, aby vznikol epidermis a nervový systém, časť dorzálneho ektodermu sa špecifikuje na nervový ektoderm, aby sa vytvorila nervová platnička, z ktorej vznikol nervový systém. [3] [10] Premena nediferencovanej ektodermy na neuroektodermu vyžaduje signály z mezodermy. Na začiatku gastrulácie sa predpokladané mezodermálne bunky pohybujú cez dorzálny blastopórový pysk a vytvárajú vrstvu mezodermu medzi endodermou a ektodermou. Mezodermálne bunky migrujú pozdĺž dorzálnej stredovej čiary, aby vznikol notochord, ktorý sa vyvíja do chrbtice. Neuroektoderm prekrývajúci notochord sa vyvinie do nervovej platničky v reakcii na difúzny signál produkovaný notochordom. Zo zvyšku ektodermu vzniká epidermis. Schopnosť mezodermu premeniť nadložný ektoderm na nervové tkanivo je tzv neurálnej indukcie.

V ranom embryu sa nervová platnička zloží smerom von, aby vytvorila nervovú drážku. Začínajúc v budúcej oblasti krku, nervové záhyby tejto drážky sa zatvárajú, aby vytvorili nervovú trubicu. Vznik neurálnej trubice z ektodermy sa nazýva neurulácia. Ventrálna časť nervovej trubice sa nazýva bazálna doska, dorzálna časť sa nazýva alárna doska. Duté vnútro sa nazýva nervový kanál a otvorené konce nervovej trubice, nazývané neuropóry, sa uzatvárajú. [11]

Transplantovaný blastopórový pysk dokáže premeniť ektodermu na nervové tkanivo a hovorí sa, že má indukčný účinok. Neurálne induktory sú molekuly, ktoré môžu indukovať expresiu nervových génov v ektodermálnych explantátoch bez toho, aby indukovali aj mezodermálne gény. Neurálna indukcia sa často študuje v Xenopus embryá, pretože majú jednoduchý telesný plán a existujú dobré markery na rozlíšenie medzi nervovým a neneurálnym tkanivom. Príkladmi nervových induktorov sú molekuly noggin a chordin.

Keď sa embryonálne ektodermálne bunky kultivujú pri nízkej hustote v neprítomnosti mezodermálnych buniek, podliehajú nervovej diferenciácii (exprimujú nervové gény), čo naznačuje, že neurálna diferenciácia je predvoleným osudom ektodermálnych buniek. V kultúrach explantátov (ktoré umožňujú priame interakcie bunka-bunka) sa tie isté bunky diferencujú na epidermis. Je to spôsobené pôsobením BMP4 (proteín rodiny TGF-β), ktorý indukuje diferenciáciu ektodermálnych kultúr na epidermis. Počas neurálnej indukcie sú noggin a chordín produkované dorzálnym mezodermom (notochord) a difundujú do prekrývajúcej ektodermy, aby inhibovali aktivitu BMP4. Táto inhibícia BMP4 spôsobuje, že sa bunky diferencujú na nervové bunky. Inhibícia signalizácie TGF-β a BMP (kostný morfogenetický proteín) môže účinne indukovať nervové tkanivo z pluripotentných kmeňových buniek. [12]

V neskoršom štádiu vývoja sa horná časť nervovej trubice ohýba na úrovni budúceho stredného mozgu – mezencefala, mezencefalického ohybu alebo cefalického ohybu. Nad mezencefalom je prosencephalon (budúci predný mozog) a pod ním je rombencephalon (budúci zadný mozog).

Alar platňa prosencephala sa rozširuje a vytvára telencephalon, ktorý dáva vznik mozgovým hemisféram, zatiaľ čo jeho bazálna platňa sa stáva diencephalon. Optická vezikula (ktorá sa nakoniec stane očným nervom, sietnicou a dúhovkou) sa tvorí na bazálnej doske prosencefala.

U strunatcov tvorí dorzálny ektoderm celé nervové tkanivo a nervový systém. K vzorovaniu dochádza v dôsledku špecifických podmienok prostredia – rôznych koncentrácií signálnych molekúl

Dorzoventrálna os Edit

Ventrálna polovica nervovej platničky je riadená notochordom, ktorý funguje ako „organizátor“. Dorzálna polovica je riadená ektodermovou platničkou, ktorá lemuje obe strany nervovej platničky. [13]

Ectoderm sleduje predvolenú cestu, aby sa stal nervovým tkanivom. Dôkazy o tom pochádzajú z jednotlivých kultivovaných buniek ektodermy, ktoré ďalej tvoria nervové tkanivo. Predpokladá sa, že je to kvôli nedostatku BMP, ktoré blokuje organizátor. Organizátor môže produkovať molekuly, ako je follistatín, noggin a chordin, ktoré inhibujú BMP.

Ventrálna nervová trubica je vzorovaná sonickým ježkom (Shh) z notochordu, ktorý pôsobí ako indukujúce tkanivo. Shh odvodené z Notochordu signalizuje podlahovej doske a indukuje expresiu Shh v podlahovej doske. Shh odvodený z podlahovej dosky následne signalizuje iným bunkám v nervovej trubici a je nevyhnutný pre správnu špecifikáciu progenitorových domén ventrálnych neurónov. Strata Shh z notochordu a/alebo podlahovej dosky bráni správnej špecifikácii týchto progenitorových domén. Shh viaže Patched1, čím zmierňuje Patched-sprostredkovanú inhibíciu Smoothened, čo vedie k aktivácii Gli rodiny transkripčných faktorov (GLI1, GLI2 a GLI3).

V tomto kontexte Shh pôsobí ako morfogén - indukuje diferenciáciu buniek v závislosti od jeho koncentrácie. V nízkych koncentráciách vytvára ventrálne interneuróny, vo vyšších koncentráciách vyvoláva vývoj motorických neurónov a pri najvyšších koncentráciách indukuje diferenciáciu podlažných platničiek. Zlyhanie diferenciácie modulovanej Shh spôsobuje holoprosencefáliu.

Dorzálna nervová trubica je vzorovaná BMP z epidermálneho ektodermu lemujúceho nervovú platňu. Tieto indukujú senzorické interneuróny aktiváciou Sr/Thr kináz a zmenou hladín transkripčného faktora SMAD.

Rostrokaudálna (Anteroposterior) os Edit

Signály, ktoré riadia predozadný nervový vývoj, zahŕňajú FGF a kyselinu retinovú, ktoré pôsobia v zadnom mozgu a mieche. [14] Zadný mozog je napríklad vzorovaný génmi Hox, ktoré sú exprimované v prekrývajúcich sa doménach pozdĺž anteroposteriálnej osi pod kontrolou kyseliny retinovej. Gény 3' (3 prime end) v klastri Hox sú indukované kyselinou retinovou v zadnom mozgu, zatiaľ čo gény 5' (5 primárny koniec) Hox gény nie sú indukované kyselinou retinovou a sú exprimované skôr v mieche. Hoxb-1 je exprimovaný v kosoštvorci 4 a vedie k vzniku lícneho nervu. Bez tejto expresie Hoxb-1 vzniká nerv podobný trojklannému nervu.

Neurogenéza je proces, pri ktorom sú neuróny generované z nervových kmeňových buniek a progenitorových buniek. Neuróny sú „postmitotické“, čo znamená, že sa už nikdy nerozdelia počas celého života organizmu. [8]

Epigenetické modifikácie hrajú kľúčovú úlohu pri regulácii génovej expresie v diferenciácii nervových kmeňových buniek a sú rozhodujúce pre určenie bunkového osudu vo vyvíjajúcom sa a dospelom mozgu cicavcov. Epigenetické modifikácie zahŕňajú metyláciu cytozínu DNA za vzniku 5-metylcytozínu a demetyláciu 5-metylcytozínu. [15] [16] Metyláciu cytozínov DNA katalyzujú DNA metyltransferázy (DNMT). Demetylácia metylcytozínu je katalyzovaná v niekoľkých postupných krokoch pomocou TET enzýmov, ktoré uskutočňujú oxidačné reakcie (napr. 5-metylcytozín na 5-hydroxymetylcytozín) a enzýmov dráhy DNA bázovej excízie (BER). [15]

Neurónová migrácia je metóda, ktorou neuróny cestujú zo svojho pôvodu alebo miesta narodenia do ich konečnej polohy v mozgu. Môžu to urobiť niekoľkými spôsobmi, napr. radiálnou migráciou alebo tangenciálnou migráciou. Sekvencie radiálnej migrácie (tiež známej ako gliové vedenie) a somálnej translokácie boli zachytené pomocou časozbernej mikroskopie. [17]

Radiálna migrácia Edit

Neurónové prekurzorové bunky proliferujú vo ventrikulárnej zóne vyvíjajúceho sa neokortexu, kde hlavnou nervovou kmeňovou bunkou je radiálna gliová bunka. Prvé postmitotické bunky musia opustiť výklenok kmeňových buniek a migrovať smerom von, aby vytvorili preddoštičku, ktorá je predurčená stať sa Cajal-Retziusovými bunkami a neurónmi poddoštičky. Tieto bunky to robia somálnou translokáciou. Neuróny migrujúce s týmto spôsobom lokomócie sú bipolárne a pripájajú prednú hranu procesu k pia. Soma je potom transportovaná na povrch pioly nukleokinézou, čo je proces, pri ktorom sa mikrotubulová „klietka“ okolo jadra predĺži a zmrští v spojení s centrozómom, aby nasmerovala jadro na jeho konečné miesto určenia. [18] Radiálne gliové bunky, ktorých vlákna slúžia ako lešenie pre migrujúce bunky a prostriedok radiálnej komunikácie sprostredkovanej kalciovou dynamickou aktivitou, [19][20] pôsobia ako hlavná excitačná neurónová kmeňová bunka mozgovej kôry [21] [ 22] alebo sa translokujú do kortikálnej platne a diferencujú sa buď na astrocyty alebo neuróny. [23] Somálna translokácia môže nastať kedykoľvek počas vývoja. [17]

Následné vlny neurónov rozdelili preddoštičku migráciou pozdĺž radiálnych gliových vlákien za vzniku kortikálnej platničky.Každá vlna migrujúcich buniek prechádza okolo svojich predchodcov a vytvára vrstvy zvnútra von, čo znamená, že najmladšie neuróny sú najbližšie k povrchu. [24] [25] Odhaduje sa, že migrácia riadená gliami predstavuje 90 % migrujúcich neurónov u ľudí a asi 75 % u hlodavcov. [26]

Tangenciálna migrácia Upraviť

Väčšina interneurónov migruje tangenciálne prostredníctvom viacerých spôsobov migrácie, aby dosiahli svoje vhodné miesto v kôre. Príkladom tangenciálnej migrácie je pohyb interneurónov z gangliovej eminencie do mozgovej kôry. Jedným príkladom prebiehajúcej tangenciálnej migrácie v zrelom organizme, pozorovanej u niektorých zvierat, je rostrálny migračný prúd spájajúci subventrikulárnu zónu a čuchový bulbus.

Axofilná migrácia Edit

Mnoho neurónov migrujúcich pozdĺž predo-zadnej osi tela využíva existujúce axónové trakty na migráciu pozdĺž tohto sa nazýva axofilná migrácia. Príkladom tohto spôsobu migrácie sú neuróny exprimujúce GnRH, ktoré absolvujú dlhú cestu zo svojho rodiska v nose, cez predný mozog a do hypotalamu. [27] Mnohé z mechanizmov tejto migrácie boli vypracované, počnúc extracelulárnymi vodiacimi podnetmi [28], ktoré spúšťajú intracelulárnu signalizáciu. Tieto intracelulárne signály, ako je vápniková signalizácia, vedú k dynamike aktínu [29] a mikrotubulov [30], ktoré produkujú bunkové sily, ktoré interagujú s extracelulárnym prostredím prostredníctvom bunkových adhéznych proteínov [31] a spôsobujú pohyb týchto buniek.

Multipolárna migrácia Edit

Existuje aj metóda migrácie neurónov tzv multipolárna migrácia. [32] [33] Je to vidieť v multipolárnych bunkách, ktoré sú u ľudí hojne prítomné v kortikálnej strednej zóne. Nepodobajú sa bunkám migrujúcim lokomóciou alebo somálnou translokáciou. Namiesto toho tieto multipolárne bunky exprimujú neurónové markery a rozširujú viaceré tenké procesy v rôznych smeroch nezávisle od radiálnych gliových vlákien. [32]

Prežitie neurónov je regulované faktormi prežitia, nazývanými trofické faktory. Neurotrofickú hypotézu sformulovali Victor Hamburger a Rita Levi Montalcini na základe štúdií vyvíjajúceho sa nervového systému. Victor Hamburger zistil, že implantácia ďalšej končatiny u vyvíjajúceho sa kuriatka viedla k zvýšeniu počtu miechových motorických neurónov. Spočiatku si myslel, že extra končatina vyvoláva proliferáciu motorických neurónov, ale neskôr on a jeho kolegovia ukázali, že počas normálneho vývoja dochádza k veľkému množstvu smrti motorických neurónov a extra končatina tejto bunkovej smrti zabránila. Podľa neurotrofickej hypotézy rastúce axóny súťažia o limitné množstvá trofických faktorov odvodených od cieľa a axóny, ktoré nedostanú dostatočnú trofickú podporu, odumierajú apoptózou. Teraz je jasné, že faktory produkované množstvom zdrojov prispievajú k prežitiu neurónov.

    (NGF): Rita Levi Montalcini a Stanley Cohen vyčistili prvý trofický faktor, nervový rastový faktor (NGF), za ktorý dostali Nobelovu cenu. Existujú tri trofické faktory súvisiace s NGF: BDNF, NT3 a NT4, ktoré regulujú prežitie rôznych populácií neurónov. Proteíny Trk pôsobia ako receptory pre NGF a súvisiace faktory. Trk je receptorová tyrozínkináza. Trk dimerizácia a fosforylácia vedie k aktivácii rôznych intracelulárnych signálnych dráh vrátane MAP kinázy, Akt a PKC dráh.
  • CNTF: Ciliárny neurotrofický faktor je ďalší proteín, ktorý pôsobí ako faktor prežitia pre motorické neuróny. CNTF pôsobí prostredníctvom receptorového komplexu, ktorý zahŕňa CNTFRa, GP130 a LIFRp. Aktivácia receptora vedie k fosforylácii a náboru JAK kinázy, ktorá následne fosforyluje LIFRp. LIFRp pôsobí ako dokovacie miesto pre transkripčné faktory STAT. JAK kináza fosforyluje STAT proteíny, ktoré disociujú z receptora a premiestňujú sa do jadra, aby regulovali génovú expresiu.
  • GDNF: Neurotrofický faktor odvodený od glia je členom rodiny proteínov TGFb a je silným trofickým faktorom pre striatálne neuróny. Funkčný receptor je heterodimér zložený z receptorov typu 1 a typu 2. Aktivácia receptora typu 1 vedie k fosforylácii proteínov Smad, ktoré sa translokujú do jadra, aby sa aktivovala génová expresia.

Neuromuskulárne spojenie Edit

Veľká časť nášho chápania tvorby synapsií pochádza zo štúdií na neuromuskulárnom spojení. Vysielač na tejto synapsii je acetylcholín. Acetylcholínový receptor (AchR) je prítomný na povrchu svalových buniek pred vytvorením synapsie. Príchod nervu vyvoláva zhlukovanie receptorov v synapsii. McMahan a Sanes ukázali, že synaptogénny signál je sústredený v bazálnej vrstve. Tiež ukázali, že synaptogénny signál je produkovaný nervom a identifikovali faktor ako Agrin. Agrín indukuje zhlukovanie AchR na povrchu svalu a tvorba synapsií je narušená u myší s knockoutom agrínu. Agrin prenáša signál cez MuSK receptor na rapsyn. Fischbach a kolegovia ukázali, že receptorové podjednotky sú selektívne transkribované z jadier vedľa synaptického miesta. To je sprostredkované neuregulínmi.

V zrelej synapsii je každé svalové vlákno inervované jedným motorickým neurónom. Počas vývoja sú však mnohé vlákna inervované viacerými axónmi. Lichtman a kolegovia študovali proces eliminácie synapsií. [34] Ide o udalosť závislú od aktivity. Čiastočné zablokovanie receptora vedie k stiahnutiu zodpovedajúcich presynaptických zakončení.

CNS synapsie Upraviť

Zdá sa, že Agrin nie je centrálnym mediátorom tvorby synapsií CNS a existuje aktívny záujem o identifikáciu signálov, ktoré sprostredkovávajú synaptogenézu CNS. Neuróny v kultúre vyvíjajú synapsie, ktoré sú podobné tým, ktoré sa tvoria in vivo, čo naznačuje, že synaptogénne signály môžu správne fungovať in vitro. Štúdie synaptogenézy CNS sa zamerali hlavne na glutamátergické synapsie. Zobrazovacie experimenty ukazujú, že dendrity sú počas vývoja vysoko dynamické a často iniciujú kontakt s axónmi. Potom nasleduje nábor postsynaptických proteínov do miesta kontaktu. Stephen Smith a kolegovia ukázali, že kontakt iniciovaný dendritickými filopódiami sa môže rozvinúť do synapsií.

Indukcia tvorby synapsií gliovými faktormi: Barres a kolegovia zistili, že faktory v gliových kondicionovaných médiách indukujú tvorbu synapsií v kultúrach gangliových buniek sietnice. Tvorba synapsií v CNS koreluje s diferenciáciou astrocytov, čo naznačuje, že astrocyty môžu poskytovať synaptogénny faktor. Identita astrocytárnych faktorov ešte nie je známa.

Neuroligíny a SynCAM ako synaptogénne signály: Sudhof, Serafini, Scheiffele a kolegovia ukázali, že neuroligíny a SynCAM môžu pôsobiť ako faktory, ktoré indukujú presynaptickú diferenciáciu. Neuroligíny sú koncentrované v postsynaptickom mieste a pôsobia prostredníctvom neurexínov sústredených v presynaptických axónoch. SynCAM je bunková adhézna molekula, ktorá je prítomná v pre- aj postsynaptických membránach.

Mechanizmy závislé od aktivity v zostavovaní neurónových obvodov Edit

Procesy migrácie neurónov, diferenciácie a vedenia axónov sú všeobecne považované za mechanizmy nezávislé od aktivity a spoliehajú sa na pevne zapojené genetické programy v samotných neurónoch. Výsledky výskumu však naznačujú úlohu mechanizmov závislých od aktivity pri sprostredkovaní niektorých aspektov týchto procesov, ako je rýchlosť migrácie neurónov, [35] aspekty neuronálnej diferenciácie [36] a hľadanie cesty axónov. [37] Mechanizmy závislé od aktivity ovplyvňujú vývoj nervových obvodov a sú kľúčové pre zostavenie máp skorej konektivity a pokračujúce zdokonaľovanie synapsií, ku ktorým dochádza počas vývoja. [38] Vo vývoji okruhov pozorujeme dva odlišné typy nervovej aktivity – skorú spontánnu aktivitu a senzoricky vyvolanú aktivitu. Spontánna aktivita sa vyskytuje skoro počas vývoja nervového okruhu, aj keď chýba senzorický vstup a je pozorovaná v mnohých systémoch, ako je napríklad vyvíjajúci sa zrakový systém, [39] [40] sluchový systém, [41] [42] motorický systém, [43] hipokampus, [44] cerebellum [45] a neokortex. [46]

Experimentálne techniky, ako je priamy elektrofyziologický záznam, fluorescenčné zobrazovanie s použitím indikátorov vápnika a optogenetické techniky, objasnili povahu a funkciu týchto skorých výbuchov aktivity. [47] [48] Počas vývoja majú odlišné priestorové a časové vzorce [49] a je známe, že ich ablácia počas vývoja vedie k deficitom v zjemňovaní siete vo vizuálnom systéme. [50] V nezrelej sietnici vznikajú vlny spontánnych akčných potenciálov z gangliových buniek sietnice a prechádzajú cez povrch sietnice v prvých niekoľkých postnatálnych týždňoch. [51] Tieto vlny sú v počiatočnej fáze sprostredkované neurotransmiterom acetylcholínom a neskôr glutamátom. [52] Predpokladá sa, že inštruujú tvorbu dvoch zmyslových máp – retinotopickej mapy a segregácie špecifickej pre oči. [53] Spresnenie retinotopickej mapy sa vyskytuje v downstream vizuálnych cieľoch v mozgu – colliculus superior (SC) a dorzálne laterálne geniculate nucleus (LGN). [54] Farmakologické narušenie a myšacie modely, ktorým chýba β2 podjednotka nikotínového acetylcholínového receptora, ukázali, že nedostatok spontánnej aktivity vedie k výrazným defektom v retinotopii a očnej špecifickej segregácii. [53]

Vo vyvíjajúcom sa sluchovom systéme vyvíjajúci sa slimák generuje výbuchy aktivity, ktoré sa šíria cez vnútorné vláskové bunky a neuróny špirálových ganglií, ktoré prenášajú sluchové informácie do mozgu. [55] Uvoľňovanie ATP z podporných buniek spúšťa akčné potenciály vo vnútorných vláskových bunkách. [56] V sluchovom systéme sa predpokladá, že spontánna aktivita sa podieľa na tvorbe tonotopickej mapy segregáciou axónov kochleárnych neurónov naladených na vysoké a nízke frekvencie. [55] V motorickom systéme sú periodické výbuchy spontánnej aktivity poháňané excitačným GABA a glutamátom počas skorých štádií a acetylcholínom a glutamátom v neskorších štádiách. [57] Vo vyvíjajúcej sa mieche zebričiek je potrebná skorá spontánna aktivita na vytvorenie čoraz synchrónnejších striedajúcich sa vzplanutí medzi ipsilaterálnymi a kontralaterálnymi oblasťami miechy a na integráciu nových buniek do okruhu. [58] V kôre boli pozorované skoré vlny aktivity v cerebellum a kortikálnych rezoch. [59] Akonáhle sa zmyslové stimuly stanú dostupnými, konečné dolaďovanie máp zmyslového kódovania a zdokonaľovanie obvodov sa začína viac a viac spoliehať na zmyslovo vyvolanú aktivitu, ako to demonštrujú klasické experimenty o účinkoch zmyslovej deprivácie počas kritických období. [59]

Súčasné techniky MRI vážené difúziou môžu tiež odhaliť makroskopický proces vývoja axónov. Konektóm môže byť skonštruovaný z difúznych údajov MRI: vrcholy grafu zodpovedajú anatomicky označeným oblastiam šedej hmoty a dva takéto vrcholy, povedzme u a v, sú spojené hranou, ak traktografická fáza spracovania údajov nájde axonálne vlákno, ktoré spája dve oblasti, zodpovedajúce u a v.

Množstvo mozgových grafov, vypočítaných z Human Connectome Project, si môžete stiahnuť zo stránky http://braingraph.org. Consensus Connectome Dynamics (CCD) je pozoruhodný jav, ktorý bol objavený neustálym znižovaním parametra minimálnej spoľahlivosti na grafickom rozhraní servera Budapest Reference Connectome Server. [60] [61] Budapest Reference Connectome Server (http://connectome.pitgroup.org) zobrazuje cerebrálne spojenia n=418 subjektov s frekvenčným parametrom k: Pre ľubovoľné k=1,2. Dá sa zobraziť graf hrán, ktoré sú prítomné v najmenej k konektómoch. Ak sa parameter k jeden po druhom zníži z k=n na k=1, potom sa v grafe objavia ďalšie a ďalšie hrany, pretože podmienka zahrnutia je uvoľnená. Prekvapivým pozorovaním je, že vzhľad okrajov nie je ani zďaleka náhodný: pripomína rastúcu, zložitú štruktúru ako strom alebo ker (vizualizované na animácii vľavo).

V [62] sa predpokladá, že rastúca štruktúra kopíruje axonálny vývoj ľudského mozgu: najskoršie sa vyvíjajúce spojenia (axonálne vlákna) sú bežné u väčšiny subjektov a následne sa rozvíjajúce spojenia majú čoraz väčší rozptyl, pretože ich rozptyly sa hromadia v procese vývoja axónov.

Niekoľko motorických neurónov súťaží o každé nervovosvalové spojenie, ale iba jeden prežije až do dospelosti. [34] Hospodárska súťaž in vitro Ukázalo sa, že zahŕňa obmedzenú neurotrofickú látku, ktorá sa uvoľňuje, alebo že nervová aktivita odvodzuje výhodu od silných postsynaptických spojení tým, že dáva rezistenciu voči toxínu, ktorý sa tiež uvoľňuje pri nervovej stimulácii. In vivoPredpokladá sa, že svalové vlákna vyberajú najsilnejší neurón prostredníctvom retrográdneho signálu.


Regulácia rastu plodu

Faktor rastu nervov

Nervový rastový faktor (NGF) bol prvýkrát charakterizovaný z extraktov myších slinných žliaz, ale bol nájdený v mnohých iných tkanivách, aspoň v tkanivových kultúrach. Bol zistený v ľudskej placente. Je to veľký proteínový komplex (molekulová hmotnosť, 140 000) pozostávajúci z aktívnej látky β podjednotka a regulačné podjednotky y a a (Harper a Thoenen, 1980).

Nárast veľkosti senzorických a sympatických ganglií kuracích embryí liečených NGF je výsledkom zvýšeného prežitia neurónov, ktoré by inak degenerovali. Môže byť tiež zvýšená mitóza gliových buniek. Neonatálne sympatické gangliá nielenže obsahujú viac NGF ako dospelé gangliá, ale sú aj citlivejšie, čo spôsobuje morfologickú transformáciu sympatických neuroblastov na diferencované neuróny.

Niektoré sympaticky inervované tkanivá syntetizujú NGF a predpokladá sa, že NGF uvoľnený do okolitého tkaniva slúži ako trofický faktor pre prichádzajúce axóny. Nervový rastový faktor tiež stimuluje rast alebo regeneráciu noradrenergných neurónov po mozgových léziách a hypertrofii drene nadobličiek (Mobley et al., 1977). Zdá sa teda, že NGF je dôležitý pri dozrievaní adrenergných neurónov a sympatického nervového systému.

Receptory nervových rastových faktorov sú prítomné v mozgovom tkanive. Podávanie tyroxínu potkanom zvyšuje koncentráciu NGF v pečeni, submaxilárnych žľazách, mozočku, mozgovej kôre a mozgovom kmeni (Walker et al., 1979). Účinky NGF na regeneráciu axónov v mozgu sú podobné ako účinky hormónov štítnej žľazy. Tieto štúdie naznačujú mechanizmus, ktorým môže tyroxín uplatniť svoje dôležité účinky na vývoj mozgu plodu.


Obsah

NGF je spočiatku v 7S, 130-kDa komplexe 3 proteínov – Alfa-NGF, Beta-NGF a Gamma-NGF (pomer 2:1:2), keď je exprimovaný. Táto forma NGF sa označuje aj ako proNGF (prekurzor NGF). Gama podjednotka tohto komplexu pôsobí ako serínová proteáza a štiepi N-koniec beta podjednotky, čím aktivuje proteín na funkčný NGF.

Termín nervový rastový faktor zvyčajne označuje 2,5S, 26-kDa beta podjednotku proteínu, jedinú zložku komplexu 7S NGF, ktorá je biologicky aktívna (t. j. pôsobí ako signálne molekuly).

Ako už názov napovedá, NGF sa podieľa predovšetkým na raste, ako aj na udržiavaní, proliferácii a prežívaní nervových buniek (neurónov). V skutočnosti je NGF rozhodujúci pre prežitie a udržiavanie sympatických a senzorických neurónov, pretože v neprítomnosti podliehajú apoptóze. [5] Niekoľko nedávnych štúdií však naznačuje, že NGF sa okrem tých, ktoré regulujú životný cyklus neurónov, podieľa aj na dráhach.

Neurónová proliferácia Edit

NGF môže riadiť expresiu génov, ako je bcl-2, väzbou na kinázu A tropomyozínového receptora, ktorá stimuluje proliferáciu a prežitie cieľového neurónu.

Vysokoafinitná väzba medzi proNGF, sortilínom a p75NTR môže viesť buď k prežitiu, alebo k programovanej bunkovej smrti. Výsledky štúdie naznačujú, že vyššie neuróny cervikálnych ganglií, ktoré exprimujú p75NTR aj TrkA, odumierajú, keď sú liečené proNGF, [6] zatiaľ čo liečba týchto istých neurónov NGF vedie k prežitiu a rastu axónov. Mechanizmy prežitia a PCD sú sprostredkované väzbou adaptérového proteínu na doménu smrti cytoplazmatického chvosta p75NTR. K prežitiu dochádza, keď prijaté cytoplazmatické adaptorové proteíny uľahčujú prenos signálu prostredníctvom členov receptora faktora nekrózy nádorov, ako je TRAF6, čo vedie k uvoľneniu aktivátora transkripcie jadrového faktora κB (NF-κB). [7] NF-κB reguluje transkripciu jadrového génu na podporu prežitia buniek. Alternatívne k programovanej bunkovej smrti dochádza, keď sa TRAF6 a faktor interagujúci s receptorom neurotrofínu (NRIF) aktivujú na aktiváciu c-Jun N-terminálnej kinázy (JNK), ktorá fosforyluje c-Jun. Aktivovaný transkripčný faktor c-Jun reguluje jadrovú transkripciu prostredníctvom AP-1, aby sa zvýšila transkripcia proapoptotického génu. [7]

Proliferácia beta buniek pankreasu Edit

Existuje dôkaz, že pankreatické beta bunky exprimujú ako TrkA, tak aj p75NTR receptory NGF. Ukázalo sa, že stiahnutie NGF indukuje apoptózu v pankreatických beta bunkách, čo znamená, že NGF môže hrať rozhodujúcu úlohu pri udržiavaní a prežívaní pankreatických beta buniek. [8]

Regulácia imunitného systému Edit

NGF hrá rozhodujúcu úlohu pri regulácii vrodenej aj získanej imunity. V procese zápalu sa NGF uvoľňuje vo vysokých koncentráciách žírnymi bunkami a indukuje axonálny rast v blízkych nociceptívnych neurónoch. To vedie k zvýšenému vnímaniu bolesti v oblastiach pod zápalom. Pri získanej imunite je NGF produkovaný týmusom, ako aj klonmi CD4+ T buniek, čo indukuje kaskádu dozrievania T buniek pri infekcii. [9]

Úprava ovulácie

NGF je hojný v semennej plazme. Nedávne štúdie zistili, že vyvoláva ovuláciu u niektorých cicavcov, napr. „indukované“ ovulátory, ako sú lamy. Výskum prekvapivo ukázal, že tieto indukované zvieratá budú ovulovať aj vtedy, keď sa použije sperma z plánovaných alebo „spontánnych“ ovulátorov, ako je dobytok. Jeho význam u ľudí nie je známy. Predtým sa v sperme nazýval faktor vyvolávajúci ovuláciu (OIF) predtým, ako bol v roku 2012 identifikovaný ako beta-NGF. [10]

Romantická láska Edit

Štúdie zistili, že koncentrácia NGF v krvnej plazme je výrazne vyššia u jedincov, ktorí boli v romantickom vzťahu menej ako 12 mesiacov [227 (14) pg/ml], ako u jedincov, ktorí v romantickom vzťahu nie sú [ 149 (12) pg/ml] alebo boli v jednom viac ako 12 mesiacov [123 (10) pg/ml]. [11]

NGF môže nepriamo stimulovať expresiu adrenokortikotropného hormónu (ACTH) v osi hypotalamus-hypofýza-nadobličky (HPA) zvýšením sekrécie vazopresínu. ACTH sa viaže na MC2 receptor v zona fasciculata kôry nadobličiek a stimuluje sekréciu stresového hormónu kortizolu. [12] Toto rýchle zvýšenie kortizolu v krvnej plazme môže vyvolať pocity eufórie, čo môže vysvetľovať počiatočný „nával“ zamilovanosti.[13] Štúdie ukazujú, že ACTH môže naopak stimulovať sekréciu NGF v mozgovej kôre aj v hypotalame.

NGF sa viaže na najmenej dve triedy receptorov: tropomyozínový receptor kináza A (TrkA) a nízkoafinitný NGF receptor (LNGFR/p75NTR). Obidve sú spojené s neurodegeneratívnymi poruchami.

Keď sa NGF viaže na TrkA receptor, riadi homodimerizáciu receptora, čo následne spôsobuje autofosforyláciu tyrozínkinázového segmentu. [14] Receptor kinázy A tropomyozínového receptora má päť extracelulárnych domén a piata doména je dostatočná na väzbu NGF. [15] Po naviazaní komplex podlieha endocytóze a aktivuje transkripčný program NGF po dvoch hlavných dráhach, dráhe Ras/MAPK a dráhe PI3K/Akt. [14] Väzba NGF na TrkA tiež vedie k aktivácii signálnych dráh PI 3-kinázy, ras a PLC. [16] Alternatívne môže receptor p75NTR tvoriť heterodimér s TrkA, ktorý má vyššiu afinitu a špecificitu pre NGF.

Štúdie naznačujú, že NGF cirkuluje v celom tele prostredníctvom krvnej plazmy a je dôležitý pre celkové udržanie homeostázy. [17]

Neuron survival Edit

Väzbová interakcia medzi NGF a TrkA receptorom uľahčuje receptorovú dimerizáciu a fosforyláciu tyrozínového zvyšku cytoplazmatického konca susednými Trk receptormi. [18] Fosforylačné miesta receptora Trk fungujú ako dokovacie miesta adaptérového proteínu Shc, ktoré podliehajú fosforylácii prostredníctvom receptora TrkA [7] Akonáhle je cytoplazmatický adaptérový proteín (Shc) fosforylovaný cytoplazmatickým chvostom receptora, bunkové prežitie je iniciované niekoľkými intracelulárnymi dráhami.

Jedna hlavná cesta vedie k aktivácii serín/treonín kinázy, Akt. Táto dráha začína komplexom receptora Trk – náborom druhého adaptorového proteínu nazývaného proteín-2 viazaný na rastový faktor-receptor (Grb2) spolu s dokovacím proteínom nazývaným Grb2-associated Binder-1 (GAB1). [7] Následne sa aktivuje fosfatidylinozitol-3 kináza (PI3K), čo vedie k aktivácii Akt kinázy. [7] Výsledky štúdie ukázali, že blokovanie aktivity PI3K alebo Akt má za následok smrť sympatických neurónov v kultúre, bez ohľadu na prítomnosť NGF. [19] Ak je však ktorákoľvek kináza konštitutívne aktívna, neuróny prežívajú aj bez NGF. [19]

Druhá dráha, ktorá prispieva k prežitiu buniek, prebieha prostredníctvom aktivácie mitogénom aktivovanej proteínkinázy (MAPK) kinázy. V tejto dráhe nábor výmenného faktora guanínového nukleotidu pomocou adaptorových a dokovacích proteínov vedie k aktivácii G-proteínu spojeného s membránou známeho ako Ras. [7] Faktor výmeny guanínového nukleotidu sprostredkúva aktiváciu Ras prostredníctvom procesu výmeny GDP-GTP. Aktívny proteín Ras fosforyluje niekoľko proteínov spolu so serín/treonín kinázou, Raf. [7] Raf zase aktivuje MAPK kaskádu na uľahčenie aktivácie ribozomálnej s6 kinázy (RSK) a regulácie transkripcie. [7]

Akt aj RSK, zložky dráh PI3K-Akt a MAPK, pôsobia tak, že fosforylujú transkripčný faktor proteínu viažuceho cyklický AMP (CREB). [7] Fosforylovaný CREB sa translokuje do jadra a sprostredkuje zvýšenú expresiu antiapoptotických proteínov [7], čím podporuje prežitie buniek sprostredkované NGF. Avšak v neprítomnosti NGF je expresia proapoptotických proteínov zvýšená, keď aktivácia transkripčných faktorov podporujúcich bunkovú smrť, ako je c-Jun, nie je potlačená vyššie uvedenými dráhami prežitia buniek sprostredkovanými NGF. [7]

Rita Levi-Montalcini a Stanley Cohen objavili NGF v 50. rokoch minulého storočia, keď boli členmi fakulty na Washingtonskej univerzite v St Louis. Jeho objav spolu s objavom ďalších neurotrofínov však bol všeobecne uznávaný až v roku 1986, keď získal Nobelovu cenu za fyziológiu a medicínu. [20] [21] [22]

Štúdie v roku 1971 určili primárnu štruktúru NGF. To nakoniec viedlo k objavu génu NGF.

NGF je hojný v semennej plazme. Nedávne štúdie zistili, že u niektorých cicavcov vyvoláva ovuláciu. [23] Nervové rastové faktory (NGF) boli pôvodne objavené vďaka ich pôsobeniu počas vývoja, ale nie je známe, že by sa NGF podieľal na funkcii počas života zvieraťa. [24]

Nervový rastový faktor zabraňuje alebo znižuje neuronálnu degeneráciu na zvieracích modeloch neurodegeneratívnych chorôb a tieto povzbudivé výsledky u zvierat viedli k niekoľkým klinickým skúškam na ľuďoch. [25] NGF podporuje regeneráciu periférnych nervov u potkanov. [26] Expresia NGF je zvýšená pri zápalových ochoreniach, kde potláča zápal. [27] Zdá sa, že NGF podporuje opravu myelínu. [28] NGF teda môže byť užitočný pri liečbe roztrúsenej sklerózy. [29] NGF sa môže podieľať aj na rôznych psychiatrických poruchách, ako je demencia, depresia, schizofrénia, autizmus, Rettov syndróm, mentálna anorexia a mentálna bulímia. [30]

Dysregulácia signalizácie NGF je tiež spojená s Alzheimerovou chorobou. [31] [32] [33] [34] [35] [36] Bunky spojivového tkaniva geneticky upravené tak, aby syntetizovali a vylučovali NGF a implantované do bazálnych predných mozgov pacientov, spoľahlivo pumpovali NGF, čo zvýšilo veľkosť buniek a ich schopnosť klíčiť nové nervové vlákna. Liečba tiež zachránila zraniteľné bunky, aj keď už vykazovali známky Alzheimerovej patológie. U niektorých pacientov tieto priaznivé účinky pretrvávali takmer 10 rokov po liečbe. Dokonca aj pacienti, ktorí zomreli, reagovali na terapiu pozitívne. Dokonca aj patologické bunky s proteínovými zhlukmi vo svojich telách a okolí rozšírili svoje vlákna smerom k zdroju NGF, zachovali si zdravú veľkosť a aktivovali signály na prežitie, ktoré zvýšili ich odolnosť voči stresu. Dvaja ďalší pacienti dostali priame injekcie modifikovaných vírusov obsahujúcich gén NGF priamo do ich bazálneho predného mozgu. To umožnilo génu dlhšie sa prejavovať v mozgu. [37] [38]

Ukázalo sa, že neurotrofíny, vrátane NGF, ovplyvňujú mnohé oblasti mozgu, vrátane oblastí, ktoré súvisia s Rettovým syndrómom, bipolárnou poruchou a Alzheimerovou chorobou. Stres a/alebo úzkosť sú zvyčajne vyvolávajúcim faktorom týchto porúch a ovplyvňujú hladiny NGF, čo vedie k narušeniu kognitívnej funkcie.

Toto zhoršené kognitívne fungovanie možno pozorovať u ľudí so schizofréniou. Pri liečbe schizofrénie sa pozoruje zvýšenie hladín NGF pri použití atypických antipsychotík, ale nie pri použití typických antipsychotík. Tí, ktorí používajú atypické lieky, zvyčajne hlásia zlepšenie kognitívnej výkonnosti v porovnaní s tými, ktorí používajú typické antipsychotiká. Vyššie hladiny NGF z atypických antipsychotík môžu byť základom zníženia negatívnych symptómov schizofrénie v porovnaní s typickými antipsychotikami. [39]

Ukázalo sa, že NGF obnovuje schopnosť učiť sa u potkanov zotavujúcich sa z vyvolaného alkoholizmu. [40]

Rettov syndróm a autizmus často vykazujú podobné príznaky v ranom veku, ako je spomalený vývoj a intelektuálne postihnutie. Jedným rozlišovacím faktorom je, že nízke hladiny NGF boli nájdené v mozgovomiechovom moku detí s Rettovým syndrómom v porovnaní s deťmi s autizmom, ktoré majú relatívne normálne až vysoké hladiny. [41] Farmaceutické terapie s aktivitou podobnou NGF môžu byť účinné pri liečbe Rettovho syndrómu, vrátane lepšieho motorického a kortikálneho fungovania, ako aj zvýšenej sociálnej komunikácie. [42]

Zhoršenie neuroplasticity a zmenené hladiny neurotrofínov sa podieľajú na bipolárnej poruche. Zistilo sa, že NGF je celkovo znížený u ľudí s bipolárnou poruchou. Konkrétnejšie, kým v manickom stave je NGF obzvlášť nízky. To vedie k zvýšenej alebo podráždenej nálade so zvýšenou energiou a zníženou potrebou spánku v manickom stave. Tento znížený NGF môže slúžiť ako biologický marker pri hodnotení súčasného stavu bipolárnej poruchy u osoby. [43] Pri liečbe lítiom sa ich koncentrácie NGF zvýšili vo frontálnom kortexe, limbickom prednom mozgu, hipokampe a amygdale. [44]

U pacientov s Alzheimerovou chorobou sa zistilo zvýšenie kortikálneho a subkortikálneho NGF. Alzheimerova choroba je neurodegeneratívne ochorenie, s ktorým je spojená aj dysregulácia signalizácie NGF, ktorá spôsobuje zhoršený retrográdny transport NGF do určitých oblastí mozgu. Toto poškodenie môže byť spôsobené atypickou produkciou alebo použitím receptorov v mozgu. [45] Ukázalo sa, že stimulácia receptorov NGF prostredníctvom infúzie NGF zvyšuje prietok krvi a verbálnu epizodickú pamäť. Tieto zlepšenia trvali dlhšie ako iné spôsoby liečby Alzheimerovej choroby. [42]

Tiež sa ukázalo, že NGF hrá úlohu pri mnohých kardiovaskulárnych ochoreniach, ako je koronárna ateroskleróza, obezita, diabetes typu 2 a metabolický syndróm. [46] Znížené plazmatické hladiny NGF a BDNF boli spojené s akútnymi koronárnymi syndrómami a metabolickými syndrómami. [47] [48] Je známe, že NGF má inzulinotropné, angiogénne a antioxidačné vlastnosti. NGF potláča príjem potravy. [ potrebná citácia ]

Ukázalo sa tiež, že NGF urýchľuje hojenie rán. Existujú dôkazy, že by mohol byť užitočný pri liečbe kožných vredov a vredov rohovky. [49]

Ukázalo sa, že mutácia v beta géne NGF vedie okrem toho k strate vnímania bolesti, pričom táto strata bolesti nie je spojená so zmenou vývoja CNS alebo mentálnych schopností u pacientov. [50] Táto štúdia teda zdôrazňuje, že môžu existovať rôzne cesty, ktorými gén NGF reguluje vnímanie bolesti v porovnaní s vývojom iného nervového systému. [50]

Pri niektorých gynekologických ochoreniach sa predpokladá, že zvýšený prostaglandín E2 stimuluje produkciu NGF, čo prispieva k vnímaniu bolesti a zvýšenému zápalu pri endometrióze. [51]

Monoklonálne protilátky proti NGF boli použité v klinických štúdiách na moduláciu bolesti. Jedným z nich je tanezumab, ďalším je fulranumab.

Nervový rastový faktor môže prispieť k zvýšeniu dlhovekosti a mentálnej kapacity. [52] Storočná Rita Levi-Montalcini užívala denný roztok vo forme očných kvapiek a uviedla, že jej mozog je teraz aktívnejší ako pred štyrmi desaťročiami. [52] V roku 2014 výskumníci z Lekárskej univerzity v Južnej Karolíne ukázali, že hladina NGF je zvýšená u ľudí, ktorí absolvovali jediné 20-minútové cvičenie jogy om-spievanie a tirumoolárna pránájámav porovnaní s kontrolnou skupinou. [53]

Nedávno sa navrhlo, že expresia NGF môže byť stimulovaná dehydroepiandrosterónom (DHEA). [55] DHEA môže tiež pôsobiť ako agonista TrkA aj p75NTR a aktivovať dráhy NGF, pričom vykazuje neurotrofické aktivity podobné aktivite NGF. [56]

Adrenokortikotropný hormón (ACTH) môže tiež upregulovať expresiu NGF v mozgu. [57]


Zapojenie mozgu: Axon Navigation

Mechanika, adhézia a extracelulárna matrica

Rastové kužele prechádzajú biologickým terénom, ktorý je mechanicky heterogénny. Pred mnohými rokmi si Paul Weiss (1934) všimol, že keď sa neuróny vložia do misky na tkanivové kultúry, ktorá má na povrchu praskliny alebo škrabance, rastúce axóny sledujú vzor týchto nedokonalostí, čo naznačuje, že axóny boli vedené mechanickými podnetmi (obr. 5,20 A). Existujú zrejmé mechanické vlastnosti prostredia, ktoré ovplyvňujú navigáciu kužeľa rastu, ako sú nervové obaly a vonkajšie povrchy mozgu, ktoré tvoria nepreniknuteľné bariéry a prítomnosť hlavných ciest, ako sú trakty alebo komisúry, ktoré slúžia ako mosty alebo hlavné cesty z z jedného regiónu do druhého. Keď sa napríklad prereže corpus callosum (obrovský axonálny trakt, ktorý spája ľavú a pravú mozgovú kôru cez strednú čiaru), axóny nebudú schopné prechádzať z jednej strany mozgu na druhú. Tu je možné poskytnúť axóny umelým mechanickým mostíkom cez ranu (Silver a Ogawa, 1983) (obr. 5.20 B).

Obr. 5.20. Axóny môžu sledovať mechanické dráhy. (A) Axóny neurónov na vysušenej kolagénovej matrici rastúce cez trhliny. (B) Axóny corpus callosum môžu pomocou umelého závesu rásť z jednej strany mozgu na druhú.

Zvláštnou mechanickou vlastnosťou nervového systému, na ktorej sa podieľajú rastové kužele, je stuhnutosť. Tuhosť tkanív sa dá merať mikroskopiou atómovej sily (Franze, 2011, 2013 Franze et al., 2013). Mozgové tkanivo neobsahuje takmer žiadny kolagén, takže je extrémne mäkké – približne konzistencie smotanového syra. Sval je rádovo tuhší a kosť o ďalšie dva rády tuhšia. Nanesením buniek do kultúry na substráty, ktoré sa líšia iba tuhosťou, možno preukázať, že táto mechanická vlastnosť má dramatické účinky na rastové kužele a rast axónov. Veľká časť práce na biológii buniek rastového kužeľa bola vykonaná v tkanivovej kultúre, kde plastové Petriho misky, na ktorých rastú neuróny, sú tvrdé ako kosť. Keď sa však pestujú na substrátoch mäkkých ako mozog, rôzne neuróny reagujú odlišne – miechové axóny sa viac rozvetvujú, zatiaľ čo senzorické neuróny ganglií dorzálnych koreňov rastú kratšie axóny. Na takýchto tuhých substrátoch majú axóny gangliových buniek sietnice tendenciu rásť rovno a často sa navzájom fascikulujú. Keď rastú na substrátoch, ktoré sú mäkké ako mozgové tkanivo, tieto axóny rastú v prieskumnejšom režime a často menia smery (Koser et al., 2016). V mozgovom tkanive existuje mechanická heterogenita v jemnom meradle, telá nervových buniek sú tuhšie ako ich procesy a ECM je tuhšie ako bunkové komponenty. Keď rastú na gradientoch tuhosti, ktoré napodobňujú tie v mozgu, rastové kužele sietnice majú tendenciu otáčať sa smerom k mäkším a preč od tvrdších, a to zodpovedá spôsobu, akým rastú pozdĺž gradientov tuhosti v embryonálnom mozgu. Tieto rastové kužele snímajú tuhosť substrátu cez natiahnutím aktivované kanály. Keď sú tieto kanály blokované mutáciou alebo konkrétnou zložkou pavúčieho jedu, rastové čapíky strácajú schopnosť reagovať na stuhnutosť tkaniva (Koser et al., 2016) (obr. 5.21).

Obr. 5.21. Mechanosenzitivita RGC axónov in vitro. (A, B) Kultúry Xenopus očné primordia (hviezdičky) na (A) mäkkých (0,1 kPa) a (B) tuhých (1 kPa) substrátoch. Šípky označujú axóny. (C) Očné primordium pestované na tuhom substráte a ošetrené zložkou pavúčieho jedu GsMTx4, ktorá blokuje natiahnutím aktivované mechanické snímacie kanály v rastovom kuželi. Mierka: 200 μm.

Mechanická podpora je nevyhnutná a jej heterogenita má vplyv, ale na to, aby axóny rástli na veľmi špecifické cieľové bunky, sú potrebné molekulárne mechanizmy a väčšina výskumov vedenia axónov sa skutočne zamerala na molekuly, ktoré podporujú a vedú navigačné axóny. Jednoduchou demonštráciou dôležitosti molekulárnej adhézie je to, že neuróny nanesené na obyčajnom skle alebo plastovej tkanivovej kultúre len zriedka vytlačia axóny s aktívnymi rastovými kužeľmi, ale keď sú tie isté substráty potiahnuté polykatiónovým substrátom, ako je polylyzín, ktorý dobre priľne. negatívne nabité biologické membrány, neuróny s väčšou pravdepodobnosťou iniciujú axonálny rast. Rastové kužele takýchto neurónov sa splošťujú proti substrátu, ktorý k nemu veľmi silne priľne, a budú sledovať adhézne verzus neadhezívne stopy na kultivačnej miske (Letourneau, 1975 Hammarback et al., 1985) (obr. 5.22). Axóny môžu používať gradienty relatívnej priľnavosti na orientáciu počas častí svojej cesty. Napríklad v moloch senzorické neuróny na konci krídla vysielajú axóny, ktoré rastú proximálne smerom k spodnej časti krídla (Nardi a Vernon, 1990). Mikroskopické vyšetrenie epitelu, pozdĺž ktorého tieto axóny rastú, ukazuje, že je čoraz viac zaťažovaný adhéznymi molekulami smerom k základni. Transplantačné experimenty potvrdzujú, že tieto axóny reagujú na tento gradient, pretože ľahko prechádzajú na adhéznejší transplantát, ktorý sa pohyboval v proximálnom smere k distálnemu smeru, ale vyhýbajú sa menej adhezívnym distálnym transplantátom, ktoré sa pohybovali proximálne (Nardi, 1983).

Obr. 5.22. Rastové kužele a priľnavosť. (A) Na veľmi lepiacom substráte sú rastové kužele sploštené, majú veľa filopódií a nepohybujú sa rýchlo (top). Na menej priľnavom substráte sú rastové šišky kompaktnejšie, zaoblenejšie, majú menej procesov a často sa pohybujú rýchlejšie. (B) Neurity v kultúre, ak je na výber medzi adhezívnym a neadhezívnym substrátom, budú mať tendenciu sledovať stopy adhezíva.

Na meranie prichytenia rastových kužeľov k rôznym bunkovým adhéznym molekulám možno kultivačné médium striekať na rastové kužeľa pomocou pipety špecifickou silou v snahe „odstreliť“ ich zo substrátu (obr. 5.23). Čím dlhšie zostáva rastový kužeľ prilepený k povrchu pred takýmito výbuchmi, tým silnejšia musí byť jeho priľnavosť. Rýchlosť rastu neuritov sa potom môže merať na tých istých substrátoch na porovnanie (Lemmon et al., 1992). Aby axón rýchlo rástol, substrát musí mať správnu mieru lepivosti – príliš málo a rastový kužeľ sa neprichytí, príliš veľa a rastový kužeľ sa zasekne. Vskutku, najviac adhezívne substráty, ako je lektín Concanavalin A, nepodporujú rastové kužele axónov na takomto povrchu, sú mimoriadne sploštené a zdá sa, že nie sú schopné dokonca stiahnuť ich filopódiu.

Obr. 5.23. Diferenciálna adhézia rastových kužeľov. (A) Na kvantifikáciu adhézie sa meraný prúd kultivačného média nasmeruje na rastový kužeľ. V určitom čase sa rastový kužeľ oddelí. (B) Rast je kvantifikovaný nárastom dĺžky axónov v časovom intervale. (C) Použitím takýchto testov je možné preukázať, že testované neuróny vykazujú konkrétny adhézny profil a majú tendenciu rásť pomalšie na adhéznejších substrátoch.

In vivo je adhézia regulovaná molekulami adhézie substrátu (SAM) a molekulami adhézie buniek (CAM). Mnohé SAM, ktoré sú vynikajúcimi podporovateľmi rastu axónov, boli izolované z extracelulárnej matrice (ECM) (Bixby a Harris, 1991 Tessier-Lavigne a Goodman, 1996). Laminín, fibronektín, vitronektín a rôzne formy kolagénu, všetky podporujú rast axónov. Mnohé z týchto ECM proteínov sú veľké a majú mnoho rôznych funkčných domén. Napríklad laminín má domény, ktoré sa viažu na iné zložky ECM, a doménu, ktorá interaguje s receptormi ECM na rastovom vrchole. Integrín je primárny bunkový receptor pre SAM odvodené od ECM. Skladá sa z dvoch podjednotiek, alfa a beta (obr. 5.24). Existuje asi 20 rôznych podjednotiek alfa a asi 10 rôznych podjednotiek beta. Rôzne neuróny používajú rôzne kombinácie podjednotiek. Podjednotka alfa5 sa obzvlášť dobre viaže na fibronektín, zatiaľ čo podjednotka alfa6 sa lepšie viaže na laminín. V priebehu vývoja môžu axóny zmeniť, ktoré podjednotky integrínu exprimujú, a tým zmeniť svoju citlivosť na konkrétnu molekulu ECM. Napríklad axóny gangliových buniek kuracích sietníc exprimujú alfa6 a dobre rastú na Laminine, keď rastú pozdĺž prvých úsekov svojej cesty v sietnici a optickom trakte.Keď sa však ich axóny dostanú do kontaktu s tektom, prestanú vyjadrovať tento alfa6, stratia schopnosť reagovať na Laminin a zamieria preč od ECM na pialovom povrchu tekta a ponoria sa do tektálneho neuropilu (Cohen a Johnson, 1991). . Reakcia axónu na konkrétne molekuly extracelulárnej matrice je teda do značnej miery záležitosťou toho, akú kombináciu alfa a beta podjednotiek integrínu v danom čase exprimuje rastový vrchol (McKerracher et al., 1996). Keď sa extracelulárne domény integrínov viažu na SAM, ich intracelulárne domény sa stanú schopnými organizovať ďalšie intracelulárne molekuly, ktoré ukotvujú integríny k aktínovým káblom vo filopódii, čím poskytujú mechanické spojenie medzi ECM a cytoskeletom rastového kužeľa.

Obr. 5.24. Hlavné triedy adhéznych molekúl exprimovaných na rastovom kuželi. Kadheríny sú adhézne molekuly závislé od vápnika, väčšina z nich je homofilná. Niektorí členovia IgG superrodiny CAM sa viažu homofilne, iné sú heterofilné. Integríny sa skladajú z rôznych alfa a beta podjednotiek, ktoré sa viažu na rôzne zložky extracelulárnej matrice s odlišnými profilmi afinity.


Pokles rastového potenciálu neurónov v CNS závislý od veku je spojený s vekom podmienenou dysfunkciou neurónových mitochondrií

Vek výskytu poranenia miechy (SCI) a priemerný vek ľudí žijúcich s SCI sa neustále zvyšuje. Na rozdiel od toho je SCI značne modelovaný u mladých dospelých zvierat, čo bráni preneseniu výskumu do klinickej aplikácie. Aj keď došlo k významnému pokroku v manipulácii s rastom axónov po poranení, stále nie je známe, ako to ovplyvňujú vplyvy starnutia. Starnutie je spojené s poklesom mitochondriálnych funkcií, zatiaľ čo mitochondrie sú nevyhnutné pre úspešný rast neuritov a axónov. Pomocou izolácie a kultivácie dospelých kortikálnych neurónov sme analyzovali mitochondriálne zmeny u 2-, 6-, 12- a 18-mesačných myší. Pozorovali sme znížený rast neuritov v starších neurónoch. Staršie neuróny tiež vykazovali dysfunkčné dýchanie, znížený membránový potenciál a zmenené mitochondriálne membránové transportné proteíny, avšak množstvo mitochondriálnej DNA (mtDNA) a bunkový ATP boli zvýšené. Celkovo tieto údaje naznačujú, že dysfunkčné mitochondrie v starších neurónoch sa podieľajú na znížení rastu neurónov v závislosti od veku. Normálne starnutie aj traumatické poškodenie sú spojené s mitochondriálnou dysfunkciou, čo predstavuje výzvu pre starnúcu populáciu SCI, pretože tieto dva prvky sa môžu navzájom spájať a zhoršovať tak následky poškodenia. Výsledky tejto štúdie to zdôrazňujú ako oblasť veľkého záujmu o traumu CNS.


3. Výsledky

Táto časť sumarizuje výsledky a závery získané simuláciou opísaného modelu rastu pomocou dvoch nástrojov NETMORPH a CX3D. Sieť 100 neurónov bola skonštruovaná pomocou sady parametrov opísanej v tabuľke ​ tabuľke 1 1 a časti 2.2. Niektoré parametre sa menili, konkrétne počiatočná rýchlosť predĺženia () pre axóny a všetky typy dendritov. Pomer medzi rýchlosťami predĺženia axónov, bazálnych, apikálnych a nepyramídových dendritov je pevný a mení sa len celková intenzita rastu ovplyvňujúca všetky z nich. Pre každý zo simulátorov bolo testovaných päť rôznych súborov parametrov. Simulácie reprodukujú rast neurónov od prvého dňa po ich umiestnení na misku až do konca tretieho týždňa (21. deň) na miske. Veľkosť kroku simulácie bola pevne stanovená na 0,1 h, čo je hodnota dostatočne malá na zabezpečenie stabilných simulácií s oboma nástrojmi.

3.1. Výpočtová efektívnosť

Účinnosť testovaných simulátorov bola značne odlišná. V NETMORPH je vykonanie jednej dávkovej simulácie pozostávajúcej zo 120 opakovaní pre päť sád parametrov potrebných od 2 hodín do 7 dní v závislosti od výberu parametrov modelu. V CX3D si rovnaká simulácia vyžaduje 4 až 40 hodín na jedno opakovanie a jednu sadu parametrov. Zozbieranie 120 opakovaní pre päť sád parametrov by preto vyžadovalo niekoľko týždňov. Z hľadiska účinnosti simulácie bol NETMORPH evidentne lepší ako CX3D. Treba poznamenať, že sme vybrali model upravený na NETMORPH, takže rozdiely vo výkone nie sú prekvapujúce. V CX3D je limitujúcim faktorom, ktorý ovplyvňuje účinnosť, vnútorná dynamika spojená s každým prvkom modelu, teda segmentom soma a neuritov. Je vytvorený tak, aby napodobňoval prirodzené interakcie medzi prvkami modelu, ale vyžaduje si pamäťový priestor a výpočtový čas. Účelom simulátora CX3D je poskytnúť základ pre modelovanie a analýzu prakticky neobmedzeného súboru problémov. Cieľom vývojárov bolo navrhnúť dostatočne efektívny univerzálny nástroj, ktorý by mohol byť neoptimálny pri zameraní sa na jednu triedu modelov ako v tejto štúdii.

3.2. Závislosť hustoty synapsie na parametroch modelu

Prvá sada simulácií, zhrnutá na obrázku ​ Obrázok 3, 3, bola použitá na testovanie vlastností simulátora a modelu. Zamerali sme sa na to, ako dobre simulátory a modely reprodukujú formáciu synapsií. Výsledky získané z dvoch simulátorov boli porovnané so zodpovedajúcimi experimentálnymi výsledkami zistenými v literatúre [21].

Hustota synapsie. Horný riadok poskytuje výsledky pre NETMORPH a dolný riadok pre CX3D. Krivky označujú stredné hodnoty a stĺpce ukazujú štandardné odchýlky. (a) ukazuje priemerný počet synapsií na neurón, keď rýchlosť predĺženia pre bazálne dendrity nadobudne hodnoty 1, 2, 4, 6 a 8 μm/deň. (b) ukazuje zväčšenú oblasť záujmu z (a), to znamená interval medzi 7 a 14 dňami vývoja. "*" označuje experimentálne hodnoty pre zodpovedajúce dni, prevzaté z [21]. (c) ukazuje hustotu synapsií získanú pomocou CX3D a rýchlosti predĺženia pre bazálne dendrity rovné 2, 6, 10, 14 a 22 μm/deň. Experimentálne údaje (*) dobre zodpovedajú hodnotám získaným pre  μm/deň.

Počet postsynaptických a presynaptických miest, to znamená počet vstupov a výstupov, bol vypočítaný pre každý neurón v každom opakovaní simulácie (120 opakovaní v NETMORPH, 50 v CX3D). Pre každý súbor parametrov sa vypočítali priemer a štandardná odchýlka z hodnôt získaných pre 100 neurónov a všetky opakovania. Obrázky 3(a) a 3(b) ukazujú výsledky získané pre NETMORPH a spodný panel výsledky pre CX3D. Krivky na paneloch spájajú priemerné hodnoty získané pre 4., 7., 10., 14., 16. a 21. deň. Štandardné odchýlky sú označené pruhmi na jednej strane pripojenými ku krivkám. Päť kriviek, od modrej po červenú, zodpovedá piatim rôznym hodnotám pre počiatočné pomery predĺženia. Zvolené počiatočné rýchlosti predĺženia pre bazálne dendrity pyramídových neurónov sú uvedené na obrázku (pozri legendu). Pre NETMORPH sú tieto hodnoty , 2, 4, 6 a 8 μm/deň a pre CX3D sú to , 6, 10, 14 a 22 μm/deň. Pre axóny, apikálne dendrity a dendrity nepyramídových neurónov sú počiatočné rýchlosti predĺženia nastavené na , , , v tomto poradí. Obrázok 3(b) je zväčšením oblasti záujmu z obrázku 3(a), to znamená pre dni 7�, čo predstavuje najpresnejšie simulovanú fázu rastu pomocou opísaného modelu. Pred 7. dňom je tvorba synapsií ovplyvnená načasovaním axonálneho a dendritického rastu. Ukázalo sa, že rast axónov predchádza dendritickému [15]. Tento aspekt rastu nemôže byť zahrnutý do našej simulácie kvôli obmedzeniam NETMORPH. Po 14. dni celková hustota synapsií klesá v dôsledku výraznej apoptózy v kultúrach [21]. Toto je tiež vylúčené z nášho modelu, ktorý má pevný počet neurónov.

Obrázky 3(a) a 3(b), získané pre NETMORPH, ukazujú exponenciálny nárast počtu synapsií na neurón v priebehu času. Ako sa očakávalo, tieto čísla sa tiež zvyšujú, keď sa zvyšuje počiatočná rýchlosť predĺženia. V priemere zvysenie miery pretiahnutia o 1 az 2 μm/deň zvyšuje počet synapsií 2-3 krát za rovnaký deň rastu. Všetky získané hodnoty sú výrazne vyššie ako experimentálne výsledky uvedené v [21]. Uvádzané experimentálne hodnoty, vypočítané ako celkový počet synapsií delený celkovým počtom neurónov, sú okolo 64 synapsií na neurón na 7. deň, 319 na 14. deň, 355 na 21. deň a 1130 na 28. deň [21]. Na obrázku 3(b) sú dvojité hodnoty týchto experimentálnych údajov pre dni 7 a 14 označené "*". Hodnoty sú dvojnásobné, pretože každú synapsiu zvažujeme dvakrát, raz pre presynaptický a raz pre postsynaptický neurón. Hustota vypočítaná v [21] „priraďuje“ každú synapsiu jednému neurónu, hoci patrí k dvom neurónom. Tieto hodnoty spadajú medzi výsledky simulácie získané pre  μm/deň a  μm/deň. Čo sa týka nárastu počtu synapsií medzi 7. a 14. dňom, s najväčšou pravdepodobnosťou sa podobá krivke pre  μm/deň. Vysoký počet synapsií možno vysvetliť tendenciou simulátora NETMORPH vytvárať veľa synapsií medzi rovnakým párom neurónov.

Obrázok 3(c), získaný pre CX3D, ukazuje oveľa lepšiu zhodu s experimentálnymi výsledkami. Nárast počtu synapsií nie je taký dramatický ako u NETMORPH a maximálne hodnoty sa držia v rozmedzí niekoľkých tisícok. Rozdiely získané pre rôzne rýchlosti predĺženia nie sú také veľké ako v NETMORPH. Nakoniec výsledky simulácie získané pre  μm/deň vykazujú veľmi dobrú zhodu s experimentálnymi hodnotami pre 7. a 14. deň.

3.3. Štatistika sieťových grafov

Extrahované siete získané v rôznych fázach rastu sa analyzujú pomocou teoretických meraní grafov. Výsledky pre oba simulátory sú znázornené na obrázku ​ Obrázok 4. 4. Tri horné riadky zobrazujú štatistiku distribúcie v stupňoch, najkratšiu dĺžku cesty a počet motívov vypočítaný zo sietí simulovaných v NETMORPH. Tri spodné riadky poskytujú rovnaké merania vyhodnotené pre siete simulované v CX3D. Každý panel zodpovedá jednému zo 7., 14. alebo 21. dňa. Rôzne krivky na rovnakom paneli znázorňujú výsledky získané pre rôzne hodnoty počiatočnej rýchlosti predĺženia a hodnoty použité pre bazálne dendrity sú uvedené v legendách. Štatistika pre všetky výsledky NETMORPH sa vypočíta pre 100 neurónov v každej sieti a pre 120 opakovaní každého stavu. Počet opakovaní pre CX3D simulácie bol 50.

Štrukturálne zmeny rastúcich sietí: distribúcia v stupňoch, najkratšia dĺžka cesty a počet motívov. Tri horné riadky: výsledky NETMORPH, tri spodné riadky: výsledky CX3D. Rôzne krivky zodpovedajú rôznym počiatočným pomerom predĺženia a použité hodnoty sú uvedené v legendách (1, 2, 3, 6, 8 a 10 μm/deň pre NETMORPH, 2, 6, 10, 14 a 22 μm/deň pre CX3D). Šedé prerušované čiary označujú motívy, ktoré sú výrazne častejšie ako v náhodných sieťach (-test, hladina významnosti 0,01). Zodpovedajúce čísla ukazujú, pre ktoré parametre to platí, napríklad 2 znamená „platí len pre dve najmenšie hodnoty“. Pre CX3D,  μm/deň bol vylúčený, pretože poskytuje príliš riedke náhodné siete.

Rozdelenie v stupňoch vo všetkých paneloch sa počas rastu posúva smerom k vyšším hodnotám a je vyššia pre väčšie hodnoty rýchlosti rastu. Tieto výsledky možno porovnať s experimentálne odhadnutou konektivitou v kultúrach, ktorá sa ukázala byť v intervale 10� % [14, 18]. To znamená, že hodnoty a 2 μm/deň dávajú príliš malé, zatiaľ čo a 10 μm/deň má za následok príliš vysokú konektivitu. Berúc do úvahy závery z obrázku ​ Obrázok 3, 3 , hodnoty a 6 μm/deň môže poskytnúť výsledky najbližšie k požadovaným. Podobné pozorovanie platí pre siete simulované v CX3D. Tu je celkový rast neuritov pomalší kvôli vlastnostiam simulátora, takže sme použili o niečo vyššie hodnoty pre rýchlosti predĺženia. Najmenšia testovaná hodnota dáva aj príliš riedke siete, pričom najvyššia nadhodnotila konektivitu. V CX3D sú hodnoty 10 a 14 μm/deň poskytujú konektivitu najbližšie k očakávanému. Podobné výsledky boli pozorované pre distribúciu mimo stupňov.

Najkratšia dĺžka cesty rozdelenie závisí od zvolených počiatočných pomerov predĺženia. Pomaly rastúce siete ( μm/deň pre NETMORPH,  μm/deň pre CX3D) tvorí malý počet spojení až do dňa 7. Väčšina neurónov nie je prepojená alebo spojená s niekoľkými susedmi. Najkratšia cesta je vypočítaná z tohto malého súboru krátkych lokálnych spojení, čo vedie k úzkemu rozdeleniu s vrcholom okolo 0. Ako sa sieť rozrastá, vytvárajú sa nové spojenia a vzdialené páry neurónov sa začínajú spájať nepriamo cez iné neuróny. Toto posúva najkratšiu dĺžku cesty smerom k vyšším hodnotám. Neuróny v rýchlejšie rastúcich sieťach ( μm/deň pre NETMORPH,  μm/deň pre CX3D) už 7. deň vytvárajú priame a nepriame spojenia. V nasledujúcich dňoch pribúdajú nové spojenia, čím sa najkratšia cesta neustále znižuje, keďže sa priamo spája viac neurónov.

Počítajú sa motívy je znázornené ako percento celkového počtu spojených tripletov neurónov (pozri obrázok ​ obrázok 4). 4). Získané počty sú podobné pre všetky hodnoty parametrov, najmä v príkladoch NETMORPH. Vrcholy sú viditeľné pre motívy 2, 4 a 7. V ekvivalentných náhodných sieťach sú motívy len s dvoma okrajmi (1, 2 a 4) alebo s tromi okrajmi (3, 5, 7 a 9) najviac časté. Napriek tomu nie všetky sú v simulovaných sieťach rovnako zastúpené. Na porovnanie výsledkov simulácie so zodpovedajúcimi náhodnými sieťami, teda sieťami s rovnakou pravdepodobnosťou spojenia, sa vykonajú štatistické testy (-test, s hladinou významnosti 0,01). Výsledky sú tiež znázornené na obrázku ​ obrázku 4, 4, kde prerušované sivé čiary označujú motívy, ktoré sú výrazne častejšie v sieťach simulovaných pomocou NETMORPH alebo CX3D ako v náhodných sieťach. Číslo nad každým riadkom ukazuje, pre koľko hodnôt parametrov to platí, za predpokladu, že ide o najmenšie hodnoty z množiny. Inými slovami, číslo 4 naznačuje, že určitý motív sa objavuje výrazne častejšie v sieťach simulovaných pre štyri najmenšie hodnoty spomedzi všetkých testovaných hodnôt a je buď výrazne menší, alebo sa výrazne nelíši pre väčšie hodnoty rýchlosti predĺženia. Na obrázkoch CX3D sa nebrala do úvahy najmenšia miera predĺženia, pretože často poskytovala veľmi riedke náhodné siete, kde nebolo možné porovnanie motívov. Očakáva sa, že motívy so štyrmi a viacerými hranami sa v sieťach simulovaných pomocou NETMORPH alebo CX3D objavujú oveľa častejšie.


O knihe

Popis

Dynamika degenerácie a rastu v neurónoch je zborník príspevkov prezentovaných na medzinárodnom sympóziu o dynamike degenerácie a rastu v neurónoch, ktoré sa konalo v Štokholme, Švédsko, 16. až 18. mája 1973. Prispievatelia skúmajú dynamiku degenerácie a rastu centrálne a periférne neuróny, ktoré sa dotýkajú širokého spektra tém, ako je neurotoxické pôsobenie 6-hydroxy-dopa na centrálne katecholamínové neuróny axonálny transport proteínov v rastúcich a regenerujúcich sa neurónoch a kolaterálna reinervácia v centrálnom nervovom systéme. Tento zväzok, ktorý pozostáva z 50 kapitol, začína prehľadom degeneračných procesov v centrálnych a periférnych neurónoch. Prezentované sú výsledky mikrofluorimetrických a neurochemických štúdií degenerujúcich a regenerujúcich adrenergných nervov. Ďalšia časť je venovaná axoplazmatickému transportu ako mechanizmu pre podporu a rast axónov a obsahuje kapitoly zaoberajúce sa účinkami degenerácie a blokády axoplazmatického transportu na synaptickú ultraštruktúru, funkciu a zloženie bielkovín, úlohu axoplazmatického toku v trofizme kostrového svalstva a proximodistálnej transport acetylcholínu v periférnych cholinergných neurónoch. Zvyšné kapitoly rozoberajú receptor nervového rastového faktora a jeho špecifickú väzbu v sympatických gangliách, noradrenergnú inerváciu cerebelárnych Purkyňových buniek a možnú úlohu mozgových a periférnych monoamínov v ontogenéze normálnych a liekmi indukovaných reakcií u nezrelého cicavca. Táto kniha bude zaujímavá pre fyziológov a neurológov.

Dynamika degenerácie a rastu neurónov je zborník príspevkov prezentovaných na medzinárodnom sympóziu o dynamike degenerácie a rastu v neurónoch, ktoré sa konalo v Štokholme vo Švédsku 16. až 18. mája 1973. Prispievatelia skúmajú dynamiku degenerácie a rastu centrálne a periférne neuróny, ktoré sa dotýkajú širokého spektra tém, ako je neurotoxické pôsobenie 6-hydroxy-dopa na centrálne katecholamínové neuróny axonálny transport proteínov v rastúcich a regenerujúcich sa neurónoch a kolaterálna reinervácia v centrálnom nervovom systéme. Tento zväzok, ktorý pozostáva z 50 kapitol, začína prehľadom degeneračných procesov v centrálnych a periférnych neurónoch. Prezentované sú výsledky mikrofluorimetrických a neurochemických štúdií degenerujúcich a regenerujúcich adrenergných nervov. Ďalšia časť je venovaná axoplazmatickému transportu ako mechanizmu pre podporu a rast axónov a zahŕňa kapitoly zaoberajúce sa účinkami degenerácie a blokády axoplazmatického transportu na synaptickú ultraštruktúru, funkciu a zloženie bielkovín, úlohu axoplazmatického toku v trofizme kostrového svalstva a proximodistálnej transport acetylcholínu v periférnych cholinergných neurónoch. Zvyšné kapitoly rozoberajú receptor nervového rastového faktora a jeho špecifickú väzbu v sympatických gangliách, noradrenergnú inerváciu cerebelárnych Purkyňových buniek a možnú úlohu mozgových a periférnych monoamínov v ontogenéze normálnych a liekmi indukovaných reakcií u nezrelého cicavca. Táto kniha bude zaujímavá pre fyziológov a neurológov.


Zdravie mozgu: Ako môže cvičenie stimulovať zrod nových neurónov

Trvalo desaťročia výskumu, kým sa vedcom podarilo presvedčiť, aby sa vzdali svojho dávneho presvedčenia, že v mozgu dospelých sa nové neuróny vytvárať nedajú, no už o tom niet pochýb. Teraz je dobre známe, že namáhavé fyzické cvičenie stimuluje zrod nových neurónov v časti mozgu, ktorá je kritická pre pamäť, hipokampus. Molekulárne a bunkové detaily vysvetľujúce, ako cvičenie stimuluje zrod nových mozgových buniek, boli teraz veľmi podrobne vypracované. Nezrelé neneurónové bunky v dospelom mozgu (glia) reagujú na proteínové rastové faktory, ktoré sa generujú v tele počas silnej fyzickej aktivity. Tieto rastové faktory stimulujú materské bunky, aby plodili nové neuróny v hipokampe.Je úžasné, že tieto nubilné neuróny potom migrujú cez mozgové tkanivo, aby našli svoje správne miesto v nervových obvodoch. Ešte pozoruhodnejšie je, že nový výskum dokazuje, že nové neuróny sa potom dokážu zapojiť do existujúcej siete pripojení, aby zvýšili výkon pamäte, rovnako ako pridanie čipov RAM pre laptop. Ale prečo? Prečo by pumpovanie svalov malo vytvárať viac mozgových buniek?

Touto otázkou sa zaoberal Gerd Kempermann a kolegovia zo Stanfordu, Univerzity v Zürichu a Drážďanoch v Nemecku vo svojom nedávnom článku publikovanom v časopise „Frontiers in Neuroscience“. Aby ste pochopili odpoveď, budete musieť na chvíľu pozastaviť realitu a predstaviť si, že namiesto toho, aby ste svoj deň trávili intelektuálnou stimuláciou pred počítačom, žijete v divočine ako naši predkovia jaskynných ľudí.

Vtedy sa ľudská činnosť dala rozdeliť na dva stavy, leňošenie a hľadanie (potravy). Účelom pamäte vtedy, rovnako ako dnes, je integrovať nové informácie, ktoré budú pravdepodobne dôležité pre naše prežitie v budúcnosti. V čase, keď si prirodzený výber vyberal gény, ktoré naši predkovia odovzdajú dnešnej ľudskej rase, bolo hľadanie potravy intelektuálnou arénou kognitívnej výzvy. Práve na týchto často zdĺhavých a namáhavých exkurziách zo známeho domova sa s najväčšou pravdepodobnosťou dalo stretnúť s novými informáciami. Naši predkovia prešli obrovské vzdialenosti pri hľadaní potravy a lepšieho biotopu, prechádzali neznámym a nebezpečne náročným terénom a prekonávali vzdialenosti, ktoré teraz prekonávame sediac na našich gluteus maximus za volantom auta. Vedci naznačujú, že toto je dôvod, prečo telo pri cvičení vyliahne nové neuróny v pamäťovej oblasti mozgu - aby nás lepšie pripravilo na kognitívne požiadavky exkurzie. Ak je ich teória správna, mali by sme si exkurziu zapamätať oveľa lepšie, ak by sme cestu po ceste preháňali, ako by sme ju preháňali motorom a bez námahy štrngali kolesom v smeroch prikázaných našim GPS. "Ak je to možné, urobte legálnu otočku," (znova ste vybočili z cesty a minuli ste východ).

Táto teória by mohla vysvetliť zvláštne spojenie medzi spaľovaním kalórií a pôrodnými neurónmi. Hoci telo dnešných ľudí žijúcich v mestách bolo skonštruované tak, aby vynikalo v prostredí našej vzdialenej minulosti, tieto starodávne mechanizmy zabudované do našej biológie môžu byť pre ľudí v modernej dobe mimoriadne užitočné. Ukázalo sa, že budovanie mozgu cvičením poskytuje zvieratám zvýšenú kognitívnu rezervu, čo znamená, že po poranení mozgu alebo chorobe, ktorá zabíja alebo poškodzuje zdravé neuróny, sa zvieratám, ktoré boli nútené opakovať na cvičebnom kolese pred poranením mozgu, darí oveľa lepšie. pri zotavovaní. Zvieratá, ktoré sú nútené cvičiť, majú tiež oveľa pomalší kognitívny pokles starnutia v porovnaní so sedavými zvieratami v klietke, pretože strata mozgových buniek je normálny proces starnutia.

Prekvapivo sa zistilo, že rovnaké lieky používané na liečbu chronickej depresie stimulujú zrod nových neurónov v hipokampe. Toto prastaré biologické spojenie medzi svalmi a mozgom môže zodpovedať za to, ako môže čerpanie železa prospieť nášmu duševnému zdraviu, ako aj kognitívnemu zdraviu, nehovoriac o vedľajších účinkoch tvarovania nôh a sploštenia brucha.


Vypestujte si tie dendrity

Zdravá mozgová bunka skutočne vyzerá ako strom s plnou korunou. Existuje kmeň, ktorý je jadrom bunky, koreňový systém, stelesnený v jedinom axóne a sú tam vetvy, nazývané dendrity.

Neuróny vo vašom mozgu prenášajú signály z jedného do druhého, akoby hrali prepracovanú, bleskovo rýchlu hru s telefónom, pričom používajú axóny ako vysielače a dendrity ako prijímače. Tieto signály pochádzajú z mozgu a prechádzajú celým telom a vyvrcholia jednoduchými činnosťami, ako je kývanie palcom na nohe, až po zložitejšie pokyny, ako je napríklad pokračovanie myšlienky.

Tak ako môžete posúdiť zdravý strom podľa koruny, aj vedci môžu posúdiť zdravý neurón podľa jeho dendritických vetiev. Nebolo však jasné, čo spôsobuje rast dendritov a odkiaľ tieto pokyny na rast pochádzajú.

Biológovia z University of Iowa určili skupinu génov spojených s neurónmi, ktoré pomáhajú regulovať rast dendritov. Má to však háčik: Tieto gény, nazývané gama-protokadheríny, sa musia presne zhodovať s každým neurónom, aby bunky správne rástli dendrity.

Zistenia môžu ponúknuť nový pohľad na to, čo spôsobuje agresívny alebo zakrpatený rast dendritov v neurónoch, čo by mohlo pomôcť vysvetliť biologické dôvody niektorých chorôb duševného zdravia, ako aj pomôcť výskumníkom lepšie pochopiť vývoj mozgu u predčasne narodených detí.

"Narušená dendritová arborizácia je viditeľná v mozgoch ľudí s autizmom a schizofréniou, takže procesy, ako je ten, ktorý sme tu odhalili, môžu mať význam pre ľudské poruchy," hovorí Joshua Weiner, molekulárny biológ na UI a zodpovedajúci autor článku. uverejnené tento mesiac online v časopise Prehľady buniek.

Gama-protokadheríny sa nazývajú „adhézne molekuly“, pretože vyčnievajú z bunkovej membrány, aby spájali a držali bunky pohromade. Vedci sa o ich úlohe dozvedeli tak, že vyvíjajúcej sa mozgovej bunke u myši poskytli rovnaký gama-protokadherín ako v okolitých bunkách. Keď to urobili, bunky rástli dlhšie a zložitejšie dendrity. Ale keď vedci vybavili myšací neurón iným gama-protokadherínom ako bunky okolo neho, dendritický rast bol zastavený.

Ľudský mozog je naplnený neurónmi. Vedci si myslia, že dospelí majú 100 miliárd mozgových buniek, pričom každá je v tesnej blízkosti iných a všetky sa snažia nadviazať kontakt prostredníctvom svojich axónov a dendritov. Čím hustejšia je dendritická sieť neurónu, tým je bunka vhodnejšia na to, aby bola v kontakte s inou a pomáhala pri prenose signálov.

Gama-protokadheríny pôsobia ako molekulárny suchý zips, spájajú neuróny a inštruujú ich, aby rástli ich dendrity. Weiner a jeho tím prišli na svoju úlohu, keď pozorovali mizerný dendritický rast v mozgových bunkách myší, kde boli umlčané gama-protokadheríny.

Vedci zašli v novej štúdii ďalej. Pomocou myší exprimovali rovnaký typ gama-protokadherínu (označeného buď ako A1 alebo C3) v neurónoch v mozgovej kôre, čo je oblasť mozgu, ktorá spracováva jazyk a informácie. Po piatich týždňoch mali neuróny rozsiahle dendritické siete, čo svedčí o zdravom, normálne fungujúcom mozgu. Podobne, keď zapli gén gama-protokadherínu v neuróne odlišnom od génu gama-protokadherínu s bunkami, ktoré ho obklopujú, myši mali po rovnakom časovom období obmedzený rast dendritov.

To je dôležité, pretože ľudské neuróny nesú až šesť gama-protokadherínov, čo znamená, že v hre je potenciálne veľa kombinácií. Napriek tomu sa zdá, že signál „vypestujte si dendrit“ sa deje iba vtedy, keď sa neuróny nesúce rovnaký gén gama-protokadherínu spárujú.

„Neurónom záleží na tom, s kým sa zhodujú,“ hovorí Weiner, docent na Katedre biológie, ktorá je súčasťou Vysokej školy slobodných umení a vied. "Vyžaduje to, čo sme vedeli z biochemických štúdií v miske, a ukazuje, že protokaderíny skutočne sprostredkovávajú tieto zodpovedajúce interakcie vo vyvíjajúcom sa mozgu."

Tím uvádza, že bunky hviezdneho vzhľadu nazývané astrocyty tiež zohrávajú úlohu pri vývoji dendritov neurónov. Astrocyty sú gliové (v gréčtine „lepidlo“) bunky, ktoré pomáhajú preklenúť priepasť medzi neurónmi a rýchlostnými signálmi. Keď sa molekulárna väzba medzi astrocytom a neurónmi presne zhoduje, z neurónov rastú plne formované dendrity, uvádzajú vedci.

„Naše údaje naznačujú, že g-Pcdhs (gama-protokadheríny) pôsobia lokálne na podporu arborizácie dendritov prostredníctvom homofilného párovania a potvrdzujú, že konektivita in vivo závisí od molekulárnych interakcií medzi neurónmi a medzi neurónmi a astrocytmi,“ píšu autori.

Medzi spoluautorov tohto článku patrí Michael Molumby, postgraduálny študent v interdisciplinárnom postgraduálnom programe UI’ v odbore genetika, a Austin Keeler, ktorý vlani v decembri získal doktorát v interdisciplinárnom postgraduálnom programe UI’s v odbore neurovedy. Dvojica pomáhala navrhovať experimenty, zhromažďovala a analyzovala údaje a pomáhala písať prácu.

Výskum financovali National Institutes of Health a March of Dimes Foundation, nezisková organizácia zameraná na zlepšenie zdravia detí.


Pozri si video: Stuart Hameroff - quantum consciousness, microtubules (Február 2023).