Betydningen af ​​nervesystemet struktur og neurale ledningsudvikling


Betydningen af ​​nervesystemet struktur og neurale ledningsudvikling

En ny undersøgelse, i denne uges onlineudgave af Forsøg af National Academy of Sciences , Viser en utrolig grad af biologisk mangfoldighed på en overraskende placering, dvs. i en enkelt neural forbindelse i fløjens kropsvæg. Opgørelsen åbner et nyt spektrum af interessante spørgsmål vedrørende betydningen af ​​nervesystemets struktur og udviklingen af ​​neurale ledninger.

Genetikeren Barry Ganetzky, Steenbock professor i biologiske videnskaber ved University of Wisconsin-Madison erklærede:

"Vi ved næsten ingenting om udviklingen i nervesystemet, selv om vi ved, at det skal ske - adfærd ændres, kompleksitetsændringer, der er tilføjelse af nye neuroner, dannelse af forskellige synaptiske forbindelser."

Resultatet viser endnu mere forbløffende, da Ganetzky og hans kandidatstudent Megan Campbell opdagede den uventede mangfoldighed på et sted, der er meget kendt for forskere, dvs. det neuromuskulære kryds 4 (NMJ4), hvor en enkelt motor neuron kontakter en bestemt muskel i flyve Kropsvæg for at drive sin aktivitet. Synapsene, hvor neuroner knytter til deres neuronale eller muskulære mål, har en kompleks strukturform, der ligner miniature træer dekoreret med små løg, der er nerve terminalerne (synaptiske boutons).

Ganetzky forklarer:

Synapses er hvor vigtige informationsoverførsler og integrerende funktioner i nervesystemet forekommer. Det er det grundlæggende sted, hvor informationsbehandling finder sted, og der er en underliggende overbevisning om, at synapsens struktur er nøglen til forståelsen af ​​dens funktion."

Hver muskel leveres af en anden motor neuron, der danner en NMJ med en form, størrelse og geometri karakteristisk for den pågældende NMJ. På grund af sammenhængen i flyets anatomi gør det også muligt for forskere at identificere nøjagtig samme synaps i forskellige individuelle fluer selv på tværs af forskellige arter. Den synaptiske udvikling og funktion af NMJ4 har været godt undersøgt, og Ganetzky har i mere end 20 år brugt NMJ4 til at identificere gener med en lang række biologiske roller fra bevægelsesforstyrrelser til neurodegeneration.

Det seneste projekt er afledt af en simpel debat om, hvad der virkelig er "normalt" for laboratorieopdrættede frugtfly og deres vilde modstykker. Campbell opdagede under en undersøgelse af NMJ4 i den fælles labfrugtflyve, Drosophila melanogaster, at den synaptiske morfologi mellem labbredte og vilde fluer såvel som mellem stammer opnået i Madison, Wis., Og stammer fra så langt væk som Zimbabwe Var konsistent, med alle fluer med lignende udseende arbors og boutons.

Opmuntret af opdagelsen besluttede de at undersøge yderligere. Ganetzky siger: "Drosophila er en meget rig slægt - tusindvis af arter med forskellig adfærd, forskellige fødevarepræferencer, forskellige miljøer, forskellige klimaer, forskellige størrelser - med opadgående 50 millioner års divergens." Det kan sammenlignes med den evolutionære adskillelse mellem mus og mennesker.

Han tilføjer, at larverkropsplanen uanset disse forskelle er nøjagtig den samme på tværs af alle kendte Drosophila-arter uanset deres størrelse, habitat eller fødekilde, idet det hedder, at:

"Celle til celle, kroppens vægmuskulatur og innerveringsmønstre er identiske."

De begyndte at undersøge NMJ4 i andre Drosophila arter ved hjælp af UW-Madison evolutionær biolog Sean B. Carrolls flysamling. De forventede at finde nogle forudsigelige mønstre med små variationer, da de fokuserede på deres målsynaps i 21 forskellige arter af Drosophila fra hele verden, men efter at have undersøgt kun nogle få arter, sagde Campbell, at et andet billede opstod.

På samme måde som Drosophila melanogaster havde hver art et karakteristisk NMJ4 udseende, men dette udseende varierede dramatisk blandt arter. Mens NMJ4 i nogle arter bestod af et par boutons arrangeret i et enkelt uforgrenet mønster, havde andre talrige boutons fordelt over flere lange grene, eller mange boutons pakket i tætte, tæt klyngede arbors.

Selvom Ganetzky erklærer: "Resultaterne var helt flabbergasting - variation langt ud over alt, vi nogensinde havde forventet", var der flere overraskelser.

De slående variationer i kompleksitet svarede ikke til et evolutionært forhold mellem arten, dvs. NMJ'erne af nært beslægtede arter så ikke mere ens ud i forhold til de af mere fjernt beslægtede fluer.

De opdagede endda åbenlyse variationer mellem arter, der blev adskilt af mindre end en million års udvikling, arter, der ellers virker så ens, at selv flyveeksperter har svært ved at skelne dem ud fra udseende. Ifølge forskerne er sådan hurtig udvikling forbløffende, selv om dens biologiske betydning forbliver uklar.

Et svar på spørgsmålet om, hvad der kan forklare en sådan ekstraordinær variation, kan være muligheden for genetisk drift, en tilfældig ophobning af genetiske variationer, som ændrer NMJ's udseende, men som ikke har nogen indflydelse på organismen ellers. Dybest set vil enhver NMJ, der tjener formålet, være tilstrækkeligt. Et andet alternativ kan være, at hver NMJ er dannet ved naturlig udvælgelse på grund af dets særlige størrelse og struktur for på en eller anden måde at øge overlevelse eller reproduktiv succes for medlemmer af denne art.

Assisteret af andre UW-Madison genetikere Bret Payseur og Beth Dumont brugte forskerne en kvantitativ model til at undersøge de forskellige NMJ strukturer som en funktion af den evolutionære forbindelse blandt 11 arter, hvis evolutionære træ er nøjagtigt kendt fra genom sekventering.

Ganetzky siger, at resultaterne viser, at den variation, de observerede, ikke synes at være tilfældig, med angivelse af:

"Det, der tyder på, er, at der er noget drivkraft - naturligt valg - der er at forme synapsen til at være en bestemt måde."

De antydede, at neurale funktion ville være et indlysende mål for udvælgelse og målt elektrisk aktivitet i kredsløbet, men opdagede aktivitetsoptagelser fra fire arter til at repræsentere rækkevidden af ​​strukturelle kompleksitet afslørede de samme grundlæggende neurale virkninger uanset den synaptiske struktur.

Ifølge forskerne kan der være subtile funktionelle forskelle mellem de forskellige NMJ-strukturer, som forblev uopdaget ved deres analyse, men som kunne afvige i forskellige biologiske forskelle. For eksempel læringsevne eller stress responser, der ville være et mål for naturlig udvælgelse.

Ganetzky kommentarer:

"Vi mener, at der er en eller anden grund til, at variationen betyder noget, men vi ved endnu ikke, hvad den grund er."

Campbell og Ganetzky undersøger for øjeblikket for at undersøge, hvorvidt der er underliggende genetiske og molekylære mekanismer og den biologiske betydning af den naturligt forekommende variation.

Ganetzky konkluderer:

"Vi tror, ​​at vi har lavet en vigtig opdagelse om naturen, som vi tror åbner op for alle slags nye døre. På dette tidspunkt har vi rejst mange, mange flere spørgsmål, end vi har besvaret... spørgsmål om udviklingen af ​​nervøsitet Systemer, opførsel af adfærd, forholdet mellem neuronal og synaptisk morfologi og funktion. Jeg håber det fanger forskernes interesse på mange andre områder for at anvende deres egne ekspertområder."

Zeitgeist Moving Forward [Full Movie][2011] (Video Medicinsk Og Professionel 2024).

Afsnit Spørgsmål På Medicin: Medicinsk praksis