神奇的轴突的冒险

大脑如何使连接,它如何维护?剑桥大学神经系统科学家和数学家使用各种技术来理解大脑如何“电线”,它可以告诉我们关于变性。

读这些单词,光首先是角膜的折射,通过虹膜和瞳孔上镜头,图像聚焦在视网膜上。接收到的图像在视网膜感光细胞,它传输的冲动大脑。这些脉冲是由一组神经元称为视网膜神经节细胞。一旦冲动到达大脑,大脑再拼凑它接收的信息到一个可以理解的形象。所有这一切发生在几分之一秒。

从视网膜到大脑通过信息传播轴突——长,细长的部分神经元——发出的视网膜神经节细胞。在胚胎发育过程中,轴突被发送到大脑中发现他们的具体目标,图像可以被处理。

对于一个轴突在不断增长的胚胎,从视网膜到大脑不是一个简单的人。这是一个很长的路一个微小的轴突,通过一系列不断变化的环境,它以前从未遇到过。所以轴突怎么知道要去哪里,它能告诉我们关于大脑如何做和维护?

剑桥大学的两位研究员,教授克里斯汀·霍尔特的生理发展和神经科学,和斯蒂芬博士Eglen应用数学和理论物理系,在两个不同的,但互补,这些问题的方法。

资金从欧洲研究理事会和威康信托基金会,霍尔特的研究小组的目标是更好的理解的分子和细胞机制引导和维护轴突生长,这反过来将有助于更好的理解如何首先建立神经连接。

“这是一个令人印象深刻的航海壮举,”霍尔特说。“视网膜和大脑之间的通路看起来均匀,但在现实中就像一个被子不同的分子域。”

通路通过这个被子,有一组不同的灯塔,将轴突的旅程分解成单独的步骤。每次日益突达到一个新的灯塔,它必须做出决定的路要走。在轴突的生长锥,嗅探出的特定化学信号发出信号,帮助引导正确的方向。

生长锥和盲目接受某些信号,因此取决于轴突遇到当它到达一个特定的灯塔,它会以某种方式行事。霍尔特的研究小组使用各种技术来确定信号在转向点轴突改变他们的发展方向或行为,如视神经交叉,大脑的某些轴突穿越到另一侧,或在第一个离开的地步。

虽然霍尔特使用实验理解视觉系统的发展,Eglen使用数学模型作为一种互补技术试图回答同样的问题。

“你有比你更多的自由在一个理论模型在一个实验中,”他说。“共同的实验方法是删除一些基因,看看会发生什么。我觉得有点像电池的汽车。这样做会告诉你,车子的电池是必要的功能,但它并不告诉你为什么。”

理论模型允许研究人员方法在神经发育的问题从不同的角度。捕捉到神经系统的本质,他们试图代表发展的基石,看看什么样的行为的结果。

但是没有模型能充分捕捉视觉系统如何发展的复杂性,这Eglen观点不仅是一个挑战对他作为一个数学家,也是一个挑战实验社区。

“这一直认为,如果我们建立了一个模型和分子拿出所有的指导,就没有地形秩序,“Eglen说。”,而是我们发现仍有剩余订单的神经元连接起来,所以必须有额外的分子或机制,我们不知道。我们要做的是把生物学和把它放进电脑,这样我们可以测试它了。”

”在过去的15到20年,有革命的能够识别特定分子作为指导受体或信号,但仍有如此多的我们还不知道,这就是为什么我们使用这两个理论和实验技术来回答这些问题,”霍尔特说。”,除了这个线路的问题,我们也看着映射的问题——如何终端的轴突在大脑中发现他们的最终目的地?”

霍尔特的小组发现,相同的指导分子可以有不同的角色取决于方面的增长——但问题就变成了如何连接大脑与分子太少?

增加的复杂性是另一个令人困惑的发现——轴突的生长锥可以制造蛋白质。以前的知识,可以合成新的蛋白质只在每个神经元的主要细胞的一部分,胞体(原子核的位置),然后运送到轴突。然而,霍尔特的小组发现,轴突的生长锥也能合成蛋白质的“随需应变”当他们遇到新的指导灯塔,表明分子信使核糖核酸(mRNA)扮演一个角色在帮助轴突导航到正确的目的地。信使rna的分子合成新的蛋白质,和进一步的实验发现,轴突包含成百上千的不同类型的核材料。

除了他们的角色在轴突生长的大脑线路本身在开发过程中,某些类型的信使rna也很重要在成年人的大脑保持联系,保持线粒体-能源生产的电池细胞健康,健康,反过来,使轴突。

“这是一个全新的观点,变性的想法在今后的生活中,许多不同的组件必须共同努力,让地方蛋白质合成工作,所以如果只是其中一个组件失败,可能发生变性,”霍尔特说。“我们还发现,许多类型的mRNA在轴突被翻译是相同的那些你看到在亨廷顿和帕金森氏症等疾病,所以这类的基本知识的发展是至关重要的临床治疗神经修复和理解这些和其他神经退行性疾病。”