Pioneer axon
Pioneer axon är klassificeringen som ges till axoner som är de första att växa i en viss region. De härstammar från pionjärneuroner och har den huvudsakliga funktionen att fastställa den initiala växtvägen som efterföljande växande axoner, kallade efterföljaraxoner, från andra neuroner så småningom kommer att följa.
Flera teorier som rör strukturen och funktionen hos pionjäraxoner undersöks för närvarande. Den första teorin är att pionjäraxoner är specialiserade strukturer och att de spelar en avgörande roll för att styra efterföljaraxoner. Den andra är att pionjäraxoner inte skiljer sig från efterföljaraxoner, och att de inte spelar någon roll i att styra efterföljaraxoner.
Anatomiskt finns det inga skillnader mellan pionjär- och efterföljaraxoner, även om det finns morfologiska skillnader. Mekanismerna för pionjäraxoner och deras roll i axonstyrning undersöks för närvarande. Dessutom genomförs många studier på modellorganismer, såsom gräshoppor, zebrafiskar och fruktflugor för att studera effekterna av manipulationer av pionjäraxoner på neuronal utveckling.
Historia
Santiago Ramon y Cajal , som anses vara den moderna neurovetenskapens fader , var en av de första som fysiskt observerade växande axoner. Dessutom observerade han att axoner växte på ett strukturerat, styrt sätt. Han förespråkade att axoner styrdes av kemotaktiska signaler. Senare experiment visade faktiskt att i både ryggradslösa och ryggradslösa modeller växte axoner längs förutbestämda vägar för att skapa en reproducerbar byggnadsställning av nerver.
Ramon y Cajals åsikter mötte viss konkurrens från Paul Alfred Weiss , hans samtida neuroforskare under 1920- och 1930-talen. Weiss hävdade att funktionell specificitet inte berodde på specifika axonanslutningar, och att ospecifika mekaniska signaler deltog i vägledande axoner. Efterföljande undersökningar av kemotaktiska signaler som startade på 1970-talet visade så småningom att Ramon y Cajals initiala idéer var intuitiva och före sin tid.
Mekanismer för tillväxt
Mekanismen för tillväxt av pionjärneuroner har undersökts i de centrala och perifera nervsystemen hos ryggradslösa djur. Observationer av axontillväxt under den tidiga embryonala perioden har lett till slutsatser om att axoner aktivt styrs till specifika platser. Inom dessa djurmodeller har flera faktorer identifierats som spelar en roll för att bestämma tillväxtriktningen.
Guidepostceller är specialiserade tidigt differentierande sensoriska celler. Dessa celler är viktiga för att tillhandahålla navigeringsinformation till pionjäraxoner. Uppsättningar av pionjärneuroner skapar korta segment av pionjäraxoner som sträcker sig distalt till proximalt i ett bihang. De resulterande banorna beror på pionjäraxoner som växer från ledstolpe till guidepostceller. Dessutom kan pionjäraxoner fungera som vägledande celler till mer avlägsna pionjärneuroner. Studier som involverade selektiv förstörelse av guidepostceller resulterade i att pionjäraxoner blev oförmögna att navigera normalt till CNS från PNS. Istället antog pionjäraxonerna alternativa konfigurationer och följde olika banor. Dessutom, utan styrstolpscellerna, hittade inte pionjäraxonerna den stereotypa vägen som pionjäraxonerna normalt skulle navigera.
Det har visat sig att gliaceller också spelar en roll i axonstyrning på olika sätt. I synnerhet uppvisar gliaceller en interaktion med tillväxtkoner av pionjäraxoner. Vägen för att förlänga tillväxtkoner har visat sig vara riklig i gliaceller, som i sin tur är en del av ett cellulärt nät inklusive andra mellanliggande neuroner och filopodia. Gliaceller deltar också i fascikulationen och defascikuleringen av axoner, vilket är avgörande för att forma de vägar som så småningom följs. En föreslagen mekanism involverar skapandet av en ställning gjord av gränssnittsglia, som tillväxtkoner kommer i kontakt med under etableringen av axonkanaler. Ablation av gränssnittet glia leder till en fullständig förlust av longitudinella pionjäraxonkanaler. Dessutom störde ablation av glia i senare embryonal utveckling också vägledningen av efterföljande axoner, vilket visar att gliaceller är nödvändiga för att upprätthålla ställning som behövs för att komma i kontakt med tillväxtkottar.
Kemotaktiska influenser
En mängd olika kemotaktiska signaler ger viktig signalering som styr den riktade tillväxten av pionjäraxoner. Kemotaktiska signaler är unika genom att de kan vara multifunktionella och mångsidiga. En enda kemotaktisk cue kan både verka som ett attraherande eller avstötande medel för pionjäraxoner och kan fungera på antingen avstånd eller i omedelbar närhet. Mer specifikt kan interaktionerna mellan kemotaktiska signaler och tillväxtkottar erbjuda en möjlig förklaring till mångfalden som observeras i deras beteende. Styrmolekyler är starkt involverade i att styra riktningarna för tillväxtkottar. Till exempel kan styrmolekyler initiera, förlänga, stabilisera eller dra tillbaka individuella filopodia , såväl som attrahera olika adhesionsmolekyler för att påverka deras fysiska tillstånd.
Några av de olika kemotaktiska signalerna som har utforskats i mekanismerna för pionjäraxoner inkluderar netrin , ephrin , semaforin , Slit-Robo och Notch . Receptorer för dessa molekyler har också studerats. Netriner fungerar främst som attraktioner av pionjäraxoner mot mittlinjen. De kan verka från ett avstånd så mycket som några millimeter, samt agera på kort räckvidd. Netrins kan också fungera som ett repellerande. Unikt bland kemoattraktanter är att funktionen av netrin har bevarats bland en mängd olika arter under 600 miljoner år. Liksom netrin kan efrin fungera både som attraherande och repellerande. Efriner spelar främst en roll i att sätta en gradient längs den främre posteraxeln för vägledning för att utveckla retinala axoner. Semaforiner, som först identifierades på specifika axoner i gräshoppans CNS, fungerar främst som kortdistanshämmande signaler som styr pionjäraxoner bort från mindre idealiska regioner. Receptorkomplex för semaforiner inkluderar neuropiliner och plexiner .
Slit-Robo-cellens signalväg spelar en viktig roll för att vägleda pionjäraxoner, särskilt pionjära longitudinella axoner. Dessa axoner, som fungerar för att koppla samman stora delar av CNS, är huvudsakligen närvarande under embryonal utveckling . Slit-familjen fungerar huvudsakligen som ett avstötande medel mot längsgående axoner, och leder dem bort från den ventrala mittlinjen. Förlusten av slits i Drosophila orsakade närvaron av longitudinella axoner i mittlinjen. Tillsammans med Robo-receptorn spelade Slit-signalering en roll vid bestämning av kanalpositioner parallellt med mittlinjen för längsgående axoner att följa under utvecklingen. Förlusten av antingen Slit eller Robo orsakade dysfunktion i utvecklingen av longitudinella pionjärneuroner i mellanhjärnan och bakhjärnan hos Drosophila . Vidare har det visat sig att Robo spelar en diversifierad roll i pionjärvägledning av axoner i olika delar av hjärnan under embryonal utveckling. Primärt är Robo 1 avgörande för banbrytande longitudinell axonstyrning i den ventrala kanalen, medan Robo 2 är viktig i dorsalkanalen.
Signaleringen associerad med receptorn Notch, såväl som icke-kanonisk Notch/Abl-signalering, har visat sig spela en roll i utvecklingen av longitudinella pionjärneuroner i Drosophila ventrala nervkorden . Notch-receptorn har visat sig interagera med gränssnittsglia för att bilda en väg som longitudinella pionjärneuroner kan följa. Notch/Abl-signalering i pionjärneuronerna ökar rörligheten hos tillväxtkonerna hos longitudinella pionjäraxoner samtidigt som den stimulerar utvecklingen av filopodia. Det har också noterats att Notch-signalering också är viktig vid migration av neuroner i däggdjursbarken.
Anatomi
Den riktade tillväxten av axoner beror på strukturen i änden av spetsen av ett växande axon som kallas en tillväxtkon. Tillväxtkoner , i korthet, är rörliga strukturer som utforskar miljön och i slutändan styr förlängningen av axonet. Tillväxtkottarnas svar på olika signalmolekyler dikterar den korrekta vägen och tillväxtriktningen för axonet. Tillväxtkoner har en arkliknande expansion vid spetsen som kallas lamellipodium , från vilken utsträcker sig fina processer som kallas filopodia . Tillväxtkonen är nödvändig för konstruktionen av neurala banor.
Även om pionjäraxoner och följaraxoner båda har tillväxtkoner, finns det flera morfologiska skillnader relaterade till funktionen hos pionjäraxoner. Tillväxtkonens struktur förändras när ett axon når ett territorium som inte tidigare har innerverats, eller om ett val i riktning krävs. Främst ökar lamellipodium i storlek och utökar många filopodier för att samla in så mycket sensorisk information som möjligt.
Roll i neuronal utveckling
Rollen av pionjäraxoner i neuronal utveckling har studerats omfattande i olika ryggradslösa och ryggradslösa system i både det centrala nervsystemet och det perifera nervsystemet . Även om dessa experiment har belyst pionjäraxonernas funktioner, visar resultaten motstridiga information om omfattningen av effekten av pionjäraxoner på korrekt utveckling. Dessutom har andra studier visat att vissa celler som interagerar med pionjäraxoner också är avgörande för den eventuella utvecklingen av neurala banor, och att förlust av dessa celler resulterar i felaktig navigering av pionjäraxoner. Dessutom återspeglar identiska vägar och homologa neuroner över olika arter olika sökvägsförmåga hos tillväxtkoner i pionjärneuroner.
En undersökning genomfördes och tittade på rollen av pionjäraxoner i bildandet av både CNS- och PNS-axonvägar i ett Drosophila- embryo. Genom att använda en metod för att ablatera specifika neuroner, resulterade ablationen av aCC-axonet, som spelar en roll i banbrytandet av den intersegmentala nerven i Drosophila PNS , till att de tre typiska följaraxonerna blev försenade och benägna att hitta fel. Trots dessa konsekvenser bildades så småningom vägen i de flesta ämnen. Ablation av pionjäraxonerna som bildade de longitudinella kanalerna i Drosophila CNS resulterade i liknande svårigheter i bildandet och organisationen av longitudinella banor i 70 % av de observerade segmenten. I slutändan, liksom i PNS, bildades de longitudinella banorna i cirka 80 % av de observerade segmenten. Således visades det att pionjäraxonerna spelade en roll i utvecklingen av CNS och PNS, och utan pionjäraxonerna försenades tillväxten av anhängarna. Anmärkningsvärt nog bildades majoriteten av trakterna, vilket indikerar att andra faktorer spelar en roll i axonstyrning som kan korrigera för förlusten av pionjärneuroner.
Även om studier av mekanismerna för pionjäraxoner mestadels har gjorts i ryggradslösa modeller, har studier också börjat utforska rollen av pionjäraxoner i utvecklingen av stora ryggradsdjurs axonkanaler. Den primära modellen för dessa experiment har varit i zebrafisken. Liksom i Drosophila finns det bevis som visar att även om pionjäraxoner spelar en viktig roll för att styra tillväxtkonerna hos efterföljaraxoner, kanske de inte är helt nödvändiga. Hjärnan hos den tidiga zebrafisken är en idealisk miljö för att studera beteendet hos utvecklande axonkanaler. De tidigaste differentierande pionjärneuronerna skapar en ställning, med vilken tillväxtkoner av anhängaraxoner interagerar med.
Borttagning av pionjäraxoner som skapar ställningen har en effekt på tillväxtkonerna hos neuronerna i kärnan i den bakre kommissuren, genom att de inte kan följa den normala vägen att sträcka sig ventralt, sedan bakåt. Trots den komprometterade pionjärneuronställningen sträcker sig följarväxtkonerna ventralt normalt. Ungefär hälften av anhängarna följer dock inte den bakre längsgående banan korrekt, medan den andra hälften gör det. Detta tyder på att andra ledtrådar än de från pionjäraxoner spelar en roll för att styra följaraxontillväxt, och att pionjäraxoner kan spela olika roller i olika delar av neuronal utveckling. I en annan studie hade ersättning eller avlägsnande av de tidigt födda retinala ganglioncellerna, som fungerar som pionjärneuroner, en signifikant skadlig effekt på senare axoners förmåga att lämna ögat. Efterföljande axon-axon-interaktioner visade sig också vara nödvändiga, eftersom felaktig ledning av retinala axoner ledde till chiasm-defasciculaiton, telencefaliska och ventrala bakhjärnsprojektioner eller avvikande korsning i den bakre kommissuren .