Die bedeutung der nervensystemstruktur und der neuronalen verdrahtungsentwicklung


Die bedeutung der nervensystemstruktur und der neuronalen verdrahtungsentwicklung

Eine neue Studie, in dieser Woche Online-Ausgabe der Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften , Zeigt einen unglaublichen Grad an biologischer Vielfalt in einer überraschenden Lage, d.h. in einer einzigen neuronalen Verbindung in der Körperwand der Fliegen. Die Erkenntnis eröffnet ein neues Spektrum interessanter Fragen über die Bedeutung der Struktur des Nervensystems und die Entwicklung der neuronalen Verdrahtung.

Genetiker Barry Ganetzky, Steenbock Professor für Biowissenschaften an der Universität Wisconsin-Madison erklärte:

"Wir wissen fast nichts über die Entwicklung des Nervensystems, obwohl wir wissen, dass es passieren muss - das Verhalten verändert sich, Komplexitätsveränderungen, es gibt die Hinzufügung neuer Neuronen, die Bildung von verschiedenen synaptischen Verbindungen."

Die Erkenntnis erweist sich noch erstaunlicher, als Ganetzky und sein Doktorand Megan Campbell die unerwartete Vielfalt an einem der Wissenschaftler sehr vertrauten Ort entdeckten, dh der neuromuskulären Knotenpunkt 4 (NMJ4), der Ort, an dem ein einziges Motorneuron einen bestimmten Muskel in der Fliege kontaktiert Körperwand, um seine Tätigkeit zu fahren. Die Synapsen, in denen Neuronen mit ihren neuronalen oder muskulösen Targets verknüpft sind, haben eine komplexe Strukturform, die wie Miniaturbäume aussieht, die mit winzigen Glühbirnen verziert sind, die die Nerventerminals (synaptische Boutons) sind.

Ganetzky erklärt:

"Synapsen sind dort, wo die wichtige Informationstransfer und integrative Funktionen des Nervensystems auftreten. Es ist der fundamentale Ort, wo die Informationsverarbeitung stattfindet, und es gibt einen zugrunde liegenden Glauben, dass die Struktur der Synapse der Schlüssel zum Verständnis ihrer Funktion ist."

Jeder Muskel wird von einem anderen motorischen Neuron geliefert, das ein NMJ mit einer Form, Größe und Geometrie charakteristisch für die jeweilige NMJ bildet. Angesichts der Konsistenz der Fliege Anatomie, auch über verschiedene Arten ermöglicht es Forschern, die exakt gleiche Synapse in verschiedenen einzelnen Fliegen zu identifizieren. Die synaptische Entwicklung und Funktion von NMJ4 wurde gut recherchiert, und Ganetzky hat NMJ4 seit mehr als 20 Jahren verwendet, um Gene mit einer Vielzahl von biologischen Rollen von Bewegungsstörungen bis zur Neurodegeneration zu identifizieren.

Das jüngste Projekt stammt aus einer einfachen Debatte von dem, was wirklich "normal" für Labor-gezüchtete Fruchtfliegen und ihre wilden Pendants ist. Campbell entdeckte bei einer Untersuchung des NMJ4 in der gemeinsamen Laborfruchtfliege, Drosophila melanogaster, dass die synaptische Morphologie zwischen laborbetriebenen und wilden Fliegen sowie zwischen den in Madison, Wis. Und Stattungen entstandenen Stämmen von so weit weg wie Simbabwe War konsequent, mit allen Fliegen mit ähnlich aussehenden Lauben und Boutons.

Ermutigt durch die Entdeckung, beschlossen sie, weiter zu untersuchen. Ganetzky sagt: "Drosophila ist eine sehr reiche Gattung - Tausende von Arten mit unterschiedlichen Verhaltensweisen, unterschiedlichen Nahrungsmittelpräferenzen, verschiedenen Umgebungen, verschiedenen Klimazonen, verschiedenen Größen - mit einer Aufwärtsbewegung von 50 Millionen Jahren." Es kann mit der evolutionären Trennung zwischen Mäusen und Menschen verglichen werden.

Er fügt hinzu, dass, unabhängig von diesen Unterschieden, der Larven-Körper-Plan ist genau das gleiche über alle bekannten Drosophila Arten unabhängig von ihrer Größe, Lebensraum oder Nahrungsquelle, dass:

"Zelle für Zelle, die Körperwand Muskulatur und Innervation Muster sind identisch."

Sie begannen, NMJ4 in anderen Drosophila-Arten mit Hilfe von UW-Madison Evolutionsbiologe Sean B. Carroll's Fliegenkollektion zu untersuchen. Sie erwarteten, einige vorhersagbare Muster mit kleinen Variationen zu finden, als sie sich auf ihre Zielsynapse in 21 verschiedenen Arten von Drosophila aus der ganzen Welt konzentrierten, jedoch nach der Prüfung nur ein paar Arten Campbell sagte, dass ein anderes Bild entstand.

Ähnlich wie bei Drosophila melanogaster hatte jede Spezies ein charakteristisches NMJ4-Aussehen, doch unterscheidet sich diese Erscheinung dramatisch unter den Arten. Während NMJ4 bei einigen Arten aus ein paar Boutons bestand, die in einem einfachen, unverzweigten Muster angeordnet waren, hatten andere zahlreiche Boutons, die über mehrere lange Zweige verteilt waren, oder viele Boutons, die in dichte, eng gegliederte Lauben verpackt waren.

Auch wenn Ganetzky erklärt: "Die Ergebnisse waren absolut flabbergasting - Variation weit über alles hinaus, was wir jemals erwartet hatten", gab es mehr Überraschungen.

Die auffälligen Variationen in der Komplexität entsprachen nicht einer evolutionären Beziehung zwischen der Spezies, d.h. die NMJs von engeren verwandten Arten sahen nicht gleicher im Vergleich zu denen von weiter entfernten Fliegen.

Sie entdeckten sogar offensichtliche Variationen zwischen Arten, die durch weniger als eine Million Jahre Evolution getrennt waren, Arten, die sonst so ähnlich erscheinen, dass sogar Fliege Experten Schwierigkeiten haben, sie auf der Grundlage des Aussehens zu unterscheiden. Nach Ansicht der Forscher ist diese schnelle Entwicklung erstaunlich, obwohl ihre biologische Bedeutung unklar bleibt.

Eine Antwort auf die Frage, was eine solche außerordentliche Variation erklären könnte, kann die Möglichkeit einer genetischen Drift sein, eine zufällige Akkumulation von genetischen Variationen, die das Erscheinungsbild des NMJ verändern, aber das haben keinen Einfluss auf den Organismus. Grundsätzlich genügt jeder NMJ, der dem Zweck dient. Eine andere Alternative könnte sein, dass jeder NMJ durch natürliche Selektion aufgrund seiner besonderen Größe und Struktur gebildet wird, um irgendwie das Überleben oder den Fortpflanzungserfolg für Mitglieder dieser Spezies zu erhöhen.

Unterstützt von den UW-Madison-Genetikern Bret Payseur und Beth Dumont nutzten die Forscher ein quantitatives Modell, um die verschiedenen NMJ-Strukturen als Funktion der evolutionären Verbindung unter 11 Arten zu untersuchen, deren evolutionärer Baum aus der Genomsequenzierung genau bekannt ist.

Ganetzky sagt, dass die Ergebnisse zeigen, dass die Variabilität, die sie beobachtet haben, nicht zufällig zu sein scheint:

"Was das vorschlägt, ist, dass es eine treibende Kraft gibt - natürliche Selektion - das ist die Gestaltung der Synapse, um ein besonderer Weg zu sein."

Sie vermuteten, dass die neuronale Funktion ein offensichtliches Ziel der Selektion und der gemessenen elektrischen Aktivität in der Schaltung wäre, aber entdeckte Aktivitätsaufzeichnungen von vier Arten, um den Bereich der strukturellen Komplexität zu repräsentieren, zeigten die gleichen grundlegenden neuronalen Arbeiten unabhängig von der synaptischen Struktur.

Nach Ansicht der Forscher kann es subtile funktionelle Unterschiede zwischen den verschiedenen NMJ-Strukturen geben, die durch ihren Assay unentdeckt blieben, die aber in verschiedene biologische Unterschiede übergehen konnten. Zum Beispiel, Lernfähigkeit oder Stress Reaktionen, die ein Ziel für die natürliche Auswahl wäre.

Ganetzky kommentiert:

"Wir glauben, dass es einen Grund gibt, warum die Variation zählt, aber wir wissen noch nicht, was der Grund ist."

Campbell und Ganetzky erforschen derzeit, um zu untersuchen, ob es zugrunde liegende genetische und molekulare Mechanismen gibt und die biologische Bedeutung dieser natürlich vorkommenden Variation.

Ganetzky schließt:

"Wir denken, dass wir eine wichtige Entdeckung über die Natur gemacht haben, von der wir denken, dass sie alle Arten von neuen Türen eröffnet haben. An diesem Punkt haben wir viele, viele weitere Fragen aufgeworfen, als wir geantwortet haben... Fragen über die Entwicklung von Nerven Systeme, Evolution des Verhaltens, die Beziehung zwischen neuronaler und synaptischer Morphologie und Funktion. Ich hoffe, dass dies das Interesse der Wissenschaftler in vielen anderen Bereichen fängt, ihre eigenen Fachgebiete anzuwenden."

Nervenzelle, Nerv, Axon, Synapsen - Grundbegriffe des Nervensystems (Video Medizinische Und Professionelle 2019).

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