Вторичные дендриты нейронов дрозофил разрослись стохастически

Ученые определили принципы эмбрионального развития разветвленных дендритных деревьев нейронов дрозофил: рост крупного первичного отростка строго определен, а перпендикулярные вторичные дендриты удлиняются стохастично — то растут, то уменьшаются и меняют направление. Ключевой для формирования структуры дендритного дерева оказалась внутренняя регуляция: соприкоснувшись, отростки «отталкиваются» и начинают уменьшаться, но не могут сжиматься дальше ближайшего разветвления. Препринт статьи доступен на портале bioRxiv.

Дендритные деревья — система принимающих сигналы отростков нейронов — сильно отличаются у разных типов нервных клеток. У биполярных нейронов, например, от тела в противоположные стороны отходит два пучка дендритов, у звездчатых отростки расходятся во все стороны, а у клеток Пуркинье все обширное дерево находится в одной плоскости.

На формирование, рост и ветвление дендритов влияют многочисленные внутриклеточные факторы, сигналы других клеток и активность самих нейронов. Однако нам до сих пор неизвестно, что именно определяет геометрию дендритного дерева, является ли его формирование стохастичным вероятностным процессом или же оно строго детерминировано. Иными словами, мы не знаем, определен ли рост каждой ветви факторами среды или же заложены лишь базовые принципы роста дерева.

Французские ученые из Университета Экс-Марсель под руководством Томаса Лекуи (Thomas Lecuit) проследили за формированием дендритного дерева нейронов плодовых мушек Drosophila melanogaster в ходе эмбрионального развития. У нервных клеток, которые выбрали для исследования, есть два основных дендритных ствола, которые отходят от тела нейрона (крупный и мелкий), а вторичные ветви отходят от них перпендикулярно — в итоге получается структура, напоминающая ершик для бутылок.

Для начала исследователи оценили структуру дендритного дерева на четырех стадиях личиночного развития, а затем визуализировали формирование системы отростков на всем протяжении эмбриогенеза. Оказалось, что у личинок нейроны растут пропорционально всему организму, однако их структура не меняется: количество первичных, вторичных и третичных отростков, их относительная длина и положение закладывались ещё в ходе эмбрионального развития.

Рост дерева происходил следующим образом: сначала появлялся и рос крупный первичный отросток, через час на нем начинали появляться динамичные перпендикулярные выросты, которые то вытягивалсь, то снова уменьшались, а на них — множество мелких третичных отростков. Через несколько часов вторичные дендриты стабилизировались, число третичных сокращалось и структура переставала меняться.

Рост дендритного дерева

Amrutha Palavalli et al. / bioRxiv, 2020

Поделиться

Обязательный рост первичного дендрита в определенном направлении может указывать на то, что его развитие детерминировано. Действительно, ученые обнаружили, что в большинстве случаев на мембране первичных отростков или параллельно им присутствует белок адгезии E-кадгерин, а при повреждении верхушки дендрит всегда восстанавливается и продолжает расти в том же направлении. Рост вторичных дендритов оказался гораздо более динамичным: они появлялись и исчезали, их длина варьировала, число колебалось от 10 до 25 на один первичный отросток, а направление не было постоянным.
Ученые предположили, что первичные дендриты растут детермеинированно, а вторичные — стохастично. Тогда они построили математическую модель развития дендритного дерева. В качестве начальной фазы взяли нейрон с полностью сформированным первичным отростком и задавали следующие параметры: частоту появления новых ответвлений (вторичных или третичных), скорость роста или уменьшения отростков, вероятность переключения с роста на сжатие. Кроме того, в модель добавили другие признаки, которые наблюдали у дрозофил: отталкивание дендритов (если кончики двух отростков соприкасаются, они перестают расти и уменьшаются), постепенное замедление роста и то, что вторичный дендрит не мог сжиматься дальше ближайшего ответвления третичного отростка — достигнув развилки, он снова начинал расти.

При запуске модели с разными параметрами получалось воссоздать различные типы дендритных деревьев, более или менее плотные и ветвистые. В том числе удалось повторить развитие системы отростков, которое наблюдали у дрозофил в первой части работы.

В дальнейшем было бы интересно проследить за формированием дендритных деревьев других типов и понять, где записаны правила развития отростков. Вполне возможно, что статистические принципы заложены генетически, и их изучение поможет лучше понять, как происходит кодирование формы в генах.
На рост нейронных отростков влияют психоделики: под их воздействием дендриты дрозофил отращивают больше ответвлений дендритов. Благодаря этому вещества могут помочь обратить атрофию нейронов при психических расстройствах.

Алиса Бахарева

https://nplus1.ru/