Motorpool (neurovetenskap)
En motorpool består av alla individuella motorneuroner som innerverar en enda muskel . Varje enskild muskelfiber innerveras av endast en motorneuron, men en motorneuron kan innervera flera muskelfibrer. Denna distinktion är fysiologiskt signifikant eftersom storleken på en given motorpool bestämmer aktiviteten hos muskeln som den innerverar: till exempel innerveras muskler som ansvarar för finare rörelser av motorpooler som består av ett högre antal individuella motorneuroner. Motorpooler kännetecknas också av de olika klasserna av motorneuroner som de innehåller. Storleken, sammansättningen och anatomiska placeringen av varje motorpool styrs hårt av komplexa utvecklingsvägar.
Anatomi
Distinkta skelettmuskler styrs av grupper av individuella motoriska enheter . Sådana motoriska enheter består av en enda motorneuron och de muskelfibrer som den innerverar. Motorneuronernas cellkroppar är belägna i det ventrala hornet i ryggmärgen och hjärnstammen . Dessa neuroner innerverar skelettmuskelfibrer genom förökning av aktionspotentialer ner i deras axoner (genom ventrala rötter och kranialnerver ), och de stimulerar skelettmuskelfibrer vid neuromuskulära förbindelser där de synapsar med muskelfibrernas motoriska ändplattor . Hos människor kan dessa axoner vara så långa som en meter. Motorneuroner i sig delas in i tre huvudklasser: alfa-motoriska neuroner kontrollerar extrafusala muskelfibrer , vilket betyder att de innerverar skelettmuskler som leder till rörelse; gamma-motoriska neuroner innerverar intrafusala muskelfibrer och kontrollerar muskelspindlarnas känslighet för att sträcka sig; beta-motoriska neuroner kan synapsera på båda typerna av muskelfibrer. Alfa-motorneuroner kan vidare delas in i tre separata underklasser, särskiljda enligt de kontraktila egenskaperna hos de motoriska enheterna som de bildar: snabbryckningsutmattning (FF), snabbryckningsutmattningsbeständig (FR) och långsamtryckströtthet -resistent (S). Sammansättningen av en motorpool kan bestå av flera klasser och underklasser av motorneuroner.
Motoriska pooler i ryggmärgen är samlade i distinkta kolumner av motorneuroner som sträcker sig över flera ryggmärgssegment; även om det finns en betydande överlappning. Motoriska pooler som kontrollerar proximala muskler är vanligtvis placerade medialt i förhållande till ventralhornet , medan de som kontrollerar distala muskler är placerade i sidled. Motoriska pooler som kontrollerar flexormusklerna är belägna dorsalt till det ventrala hornet medan de som kontrollerar extensormusklerna är placerade ventralt.
Antalet motorneuroner i en individuell motorpool är mycket varierande och kan i allmänhet förutsägas av nivån av nyanserad kontroll som en specifik muskel kräver. Till exempel har vissa muskler relativt låga antal motoriska enheter i sina respektive motoriska pooler medan andra, med mycket nyanserad kontroll (som musklerna i den mänskliga handen ) har högre täthet av motoriska enheter.
Fungera
Motorpooler fungerar primärt för att integrera synaptisk input från högre CNS- centra i exakta och konsekventa kontraktionsmönster. Individuella motorneuroner inom en given motorpool eldar i enlighet med vad som kallas " storleksprincipen" . Storleksprincipen föreslogs av Elwood Henneman och hans grupp på 1960-talet som en förklaring av det karakteristiska mönster som enskilda motorneuroner i en motorpool eldar med. Storleksprincipen föreskriver att när motorneuronerna i en motorpool brinner, vilket leder till sammandragning av en terminal muskelfiber, avfyras de motoriska enheterna som innehåller de minsta motorneuronerna först. När excitatorisk signalering ökar rekryteras sedan större motorneuroner och sammandragningsstyrkan ökar. Vidare sker denna differentiella rekrytering av motorneuroner i fall av både ökande och minskande sammandragningsstyrka. När kontraktionsstyrkan ökar, tänds de minsta motorenheterna först och är också de sista som slutar avfyra när kontraktionsstyrkan minskar.
Storleksprincipen har viktiga funktionella fördelar. I första hand frigör detta system högre centra i CNS från att behöva signalera specifika kontraktionsmönster för distinkta nivåer av muskelkontraktion. Nivån av synaptisk input som högre centra ger till en given motorpool måste bestämma kontraktionsstyrkan, och detta förenklar processen med kontraktionsstyrkamodulering. Detta system möjliggör en mycket exakt och konsekvent modulering av kontraktionsstyrkan från bara ökade eller minskade nivåer av synaptisk input: med ytterligare motorenheter av ökande storlek kommer det att finnas en konsekvent och exakt effekt på sammandragningskraften. En annan viktig fördel som härrör från storleksprincipen är att mindre neuroner kommer att avfyras mer regelbundet och under en längre tid jämfört med större neuroner. Dessa mindre motorenheter är mer motståndskraftiga mot utmattning och är därför bättre lämpade för denna roll.
Specialisering och utveckling
Det finns flera lager av differentiering och specialisering för att överväga den komplicerade utvecklingen av motorpooler.
Alfa- och gamma-motorneurondifferentiering
Alfamotorneuroner och gammamotorneuroner skiljer sig inte bara åt i sina postsynaptiska mål. De fysiologiska skillnaderna mellan dessa två klasser är betydande. Den axonala diametern för gamma-motorneuroner är hälften av den för alfa-motoriska neuroner, vilket resulterar i en högre cytoplasmatisk resistens och därför en långsammare signalutbredningshastighet. Dessutom uppvisar gammamotorneuroner mycket enklare förgreningsmönster än deras alfamotsvarigheter. Differentieringen i dessa två klasser regleras av komplexa interaktioner mellan flera neurotrofiska faktorer , och alla dessa interaktioner är ännu inte väl förstådda. Glialcellinjehärledd neurotrofisk faktor ( GDNF ) har upptäckts spela en särskilt viktig roll i alla lager av motorpoolutveckling. När det gäller alfa- och gammadifferentiering har det visats att gammamotorneuroner uttrycker signifikant högre nivåer av vissa GDNF- receptorsubenheter .
Alfa-motorneuron muskelfibermål
Alfamotoriska neuroner grupperas också i underklasser baserat på vilka typer av muskelfibrer de riktar sig mot, vilket också bestämmer deras funktionella egenskaper. Motorneuroner som riktar sig mot snabba, utmattande (FF) muskelfibrer är de största (och därför de snabbaste i att sprida sig signaler); de som riktar sig mot snabba, utmattningsbeständiga (FR) fibrer är av mellanstorlek; och de som riktar sig mot långsamma, utmattningsbeständiga (S) fibrer är de minsta. Förutom signaleringshastigheten utgör storleksintervallet över dessa underklasser också den fysiologiska grunden för storleksprincipen. På grund av sin relativt lilla axonala diameter kräver neuroner som riktar sig mot fibrer av S-typ en mindre inström för att nå tröskelpotentialen . Omvänt kräver de största neuronerna, som riktar sig mot fibrer av FF-typ, en större inström för att nå tröskeln. Därför bestämmer den axonala diametern för de tre underklasserna av alfamotorneuroner tydligt mönstren för rekryteringen av motorenheter som förutsägs av storleksprincipen. De specifika regleringsmekanismerna som bestämmer storleken på dessa tre alfa-motorneuronsubklasser är inte välkända.
Poolspecificitet och rumslig orientering
På en ytterligare specialiseringsnivå grupperas specifika kombinationer av motorneuronklasser och underklasser rumsligt i kluster som kallas motorkolonner i hela ryggmärgen . Dessa motorkolonner är motorpooler, och var och en har sin egen unika identitet: varje neuron i poolen (oavsett vilken klass den är) uttrycker en unik profil av transkriptionsfaktorer , cellytproteiner (såsom axonala vägledningsreceptorer och adhesionsmolekyler ) och neurotransmittorreceptorer . Dessa poolspecifika biokemiska markörer tillhandahåller utvecklingsramen för muskelspecifik synapsing. Bland denna poolspecifika kombination av transkriptionsfaktorer spelar Hox -faktorer en särskilt viktig roll. Hox-transkriptionsfaktorer spelar en central roll i den rumsliga orienteringen av den motoriska poolen i ryggraden, och i den platsspecifika synapsen av motorpoolen till dess nedströms muskelfibrer .
Poolstorlek
Antalet motorneuroner inom en specifik motorpool är ett avgörande utvecklingssteg. Återigen, lite är känt om de exakta mekanismerna och molekylerna som är involverade i denna specialiseringsprocess. Det är dock känt att mekanismen involverar en initial generation av ett stort antal motorneuroner, följt av en beskärningsprocess som förmedlas av celldödsmekanismer och överlevnadsfaktorer. Vissa forskare har spekulerat i att antalet neuroner inom en given pool bestäms av konkurrenskraftiga interaktioner mellan olika Hox-gener .
Evolution
Muskler som ansvarar för finare, mer nyanserade rörelser innerveras av motorpooler som består av ett större antal individuella motorneuroner. Denna princip lyfts fram genom att undersöka utvecklingen av människans tunga och handmotoriska pooler.
Människans tunga
Mycket raffinerade och koordinerade rörelser av tungan är ansvariga för det mänskliga talets krångligheter . Den evolutionära analysen skulle förutsäga en onormalt stor motorpool som innerverar muskeln på den mänskliga tungan, i förhållande till andra däggdjurs. En sådan stor motorpool skulle möjliggöra regionspecifik innervering av tungmuskeln, motorneuroner med uppgiftsspecificitet, motorneuronspecialiseringar som möjliggör snabba rörelser och olika andra motoriska nyanser som är nödvändiga för att producera komplext tal. Anatomisk analys har validerat denna evolutionära förutsägelse: hos en genomsnittlig vuxen människa innehåller den motoriska poolen för tungan mellan 7 093 och 8 817 motorneuroner. Denna neurontäthet överstiger vida den som mäts i andra däggdjur, och överstiger till och med storleken på motorpoolen för många muskler i människokroppen: biceps brachii , till exempel, innerveras av en motorpool som i genomsnitt har en storlek på 441,5 motorneuroner.
Mänsklig hand
Den evolutionära analysen förutspår också stora motoriska pooler som innerverar musklerna i den mänskliga handen. De mänskliga innovationerna med verktygstillverkning, kaströrelser och klubbrörelser krävde oöverträffad handskicklighet, endast möjliggjort av omfattande nätverk av stora motorpooler som innerverar den mänskliga handen. Som Richard Young förklarar:
Det har föreslagits att hominidlinjen började när en grupp schimpansliknande apor började kasta stenar och svinga klubbor på motståndare och att detta beteende gav reproduktiva fördelar i miljontals år, vilket drev naturligt urval för förbättrad kast- och klubbförmåga. Detta påstående leder till förutsägelsen att den mänskliga handen bör anpassas för att kasta och klubba... och därmed ge en evolutionär förklaring till de två unika greppen och den omfattande anatomiska ombyggnaden av handen som gjorde dem möjliga.
Exakt neuromuskulär kontroll möjliggör de under-millisekunder som krävs för att kasta. Effektiv klubbning kräver rekrytering av flera motoriska enheter för att ge ett säkert grepp genom stötar. Dessa evolutionära förutsägelser har verifierats av jämförande anatomiska studier: de motoriska poolerna som innerverar den mänskliga handen är betydligt större än de som innerverar relaterade primathänder.
Relevans för sjukdom
ALS
Amyotrofisk lateralskleros (ALS) är en neurodegenerativ sjukdom som differentiellt påverkar specifika motoriska pooler och klasser av motorneuroner. ALS modellerad i möss visades till exempel först leda till snabb FF-motorneuronförlust, följt av en fördröjd förlust av FR-neuroner, vilket lämnar neuroner av S-typ i stort sett intakta i sjukdomens sena stadier. Vidare, i sent stadium av ALS-patienter är döden av motorneuroner poolspecifik. Motorneurondöd i hela ryggmärgen leder till en nästan fullständig förlust av frivillig rörelse; dock förblir okulär kontroll och frivillig kontroll av utsöndringsfunktioner mestadels opåverkade. Dessa rörelser styrs av motoriska pooler i mellanhjärnan respektive i Onufs kärna i lumbosakral ryggmärgen. För närvarande bedrivs forskning på dessa ALS-resistenta motorpooler, och deras poolspecifika molekylära identiteter undersöks för potentiella neuroprotektiva egenskaper.
Paralleller i SMA och åldrande
Spinal muskelatrofi (SMA) och åldringsrelaterad motorisk degeneration delar tydliga paralleller med ALS i mönstren och specificiteten för motorneuronförlust. Även om det är helt skilt från ALS i sin patogenes , leder SMA till en liknande snabb död av FF-motorneuroner, med S-typneuroner som i allmänhet skonas. Vidare skonas motoriska pooler som kontrollerar ansiktsmusklerna (inklusive ögats ) och frivilliga utsöndringsmuskler . Motorneurondegeneration orsakad av åldrande påverkar på liknande sätt FF-typer men inte S-typer; åldrande verkar också skona ögonmotorpooler. Dessa liknande mönster av neurodegeneration i tre olika sjukdomar har fått forskare att spekulera i att långsamma motorneuroner, tillsammans med motoriska pooler i ögonen och utsöndringsmusklerna, har inneboende neuroprotektiva egenskaper som inte är sjukdomsspecifika. Forskning bedrivs för närvarande för att upptäcka en möjlig molekylär grund för neuroskydd i dessa celltyper.