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研究发现一类新的细胞帮助将轴突从眼睛引导到大脑中
作者:互联网    日期:2020-06-29

       如果在淡水中生活的小型真涡虫地中海圆头涡虫(Schmidtea mediterranea)的眼睛发生了什么意外,它们可以在几天内把眼睛长回来。它们是如何做到这一点的,这是一个科学难题。

       美国怀特黑德研究所的Peter Reddien实验室在一项新的研究中,Reddien实验室的研究人员鉴定出一类新的细胞,在这种真涡虫完成重建它的神经回路的困难任务时,这些细胞可能作为一种路标(guidepost),帮助将它的轴突从眼睛引导到大脑中。

       地中海圆头涡虫的眼睛由捕捉光线的感光神经元组成,这些神经元用长而细的突起(称为轴突)连接到大脑中。它们利用眼睛对光线的反应来帮助它们在环境中导航。
       真涡虫是研究再生的流行模型,它们可以重新长出身体的几乎任何部分;眼睛是一个有趣的研究部分,这是因为再生视觉系统需要真涡虫重新连接它们的神经元以连接到大脑。
       当神经系统在胚胎中发育时,第一批神经纤维,称为先锋轴突(pioneer axon),蜿蜒穿过组织,形成感知和解释外部刺激所需的神经回路。轴突沿途得到称为路标细胞(guidepost cell)的特殊细胞的帮助。这些特殊细胞被安置在选择点--轴突的路径可能会在不同的方向发生分叉的地方。
在许多有机体中,一旦发育完成,这些路标细胞就不再是优先考虑的问题,而且通常在成年后就不再更新。这也是为什么当人类遭遇大脑或神经损伤时,损伤通常是永久性的原因之一。
       随后,在2018年,Reddien实验室的科学家Lucila Scimone在成年真涡虫身上发现了一些令人惊讶的东西:一组神秘的细胞,看起来它们可能在引导生长中的轴突方面发挥作用。她注意到了这组细胞,这是因为它们共同表达了两个不常出现在一起的基因,而且有些细胞明显地靠近眼睛。它们以极少的数量出现在她检查的每一个真涡虫身上(正常的真涡虫可能有5个左右这样的细胞;较大的真涡虫可能有多达10个)。它们分为两个不同的群体:一些位于真涡虫的眼睛周围,另一些则沿着通往大脑中心的路径间隔开来。当她追踪现有轴突从真涡虫的眼睛通往大脑的路径时,它们无一例外地与这些细胞的位置相吻合。
       当这些研究人员对这些细胞进行表征时,他们发现它们并没有表达任何感光神经元特征性的基因,相反,它们具有经常在肌肉组织中发现的标志物。这是非常惊人的,这是因为这不是肌肉细胞在大多数动物中的作用。
       在其他有机体中,路标细胞通常是神经元或神经胶质细胞。肌肉细胞起着路标的作用是不寻常的;但Reddien实验室过去的研究已发现,真涡虫肌肉细胞扮演着其他特殊的角色,比如分泌胞外基质。这些研究人员如今想知道,他们是否可以将起着路标的作用添加到真涡虫肌肉细胞的一长串功能列表中。
       为了验证这一假设,这些研究人员设计了一系列实验。Reddien实验室博士后研究员们开发了一种眼球移植方法:你可以从一只动物身上取下一个眼球,并将它移植到另一只动物身上。当你这样做的时候,该眼球的轴突投射,如果位置合适的话,基本上会将它们自己正确地连接到大脑,从而产生功能状态。
       这些研究人员还通过基因改造构建出有肌肉细胞但没有眼睛的真涡虫,然后将眼睛移植到它们没有眼睛的头上。果然,感光神经元正常生长,蜿蜒着向这些肌肉细胞延伸,在遇到这些肌肉细胞后又调整它们自己的轨迹。
       如果没有这些肌肉细胞,情况就不一样了。当这些研究人员将眼睛移植到没有这些肌肉细胞的真涡虫身体的较远部位时,感光神经元并没有连接到大脑中心。同样地,当他们将眼睛移植到经过基因改造没有这些肌肉细胞的真涡虫身上时,它们的感光神经元仍然在生长---但是这些感光神经元并没有正确地连接到大脑。
       这些发现综合起来表明,这些细胞完全独立于视觉系统---它们并不是因为眼睛或感光神经元而形成的,而很可能是在这些神经元生长之前就已经建立起来了---这为它们起着路标的作用提供了更多证据。
       研究人员发现肌肉中有一种信号分子的模式,这种模式决定了这些细胞的位置。如果扰乱这个系统的全局位置信息,那么这些细胞就会被放置在错误的位置,然后轴突就会延伸到错误的位置---因此认为有一个位置信息框架,在再生过程中放置这些细胞,这使得它们能够在正确的位置上作为路标发挥作用。
       目前,这些研究人员还不知道这些细胞究竟是如何与生长中的轴突进行沟通,以充当路标的作用。它们可能释放某种信号分子吸引轴突,也可能是利用跨膜蛋白进行交流。
       研究人员如今鉴定出这些细胞的转录组,这意味着我们知道这些细胞表达的所有基因。这提供了一个有趣的可以从功能上进行探究的基因列表,以便尝试观察哪些基因介导这些细胞的功能。
       这项研究在旨在扩大再生医学能力的一系列工作中向前迈进了一步。这项研究观察到,再生失去的系统可能是不够的,可能还需要再生让该系统保持正确模式的系统。
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