2021-07-28 19:07

生物分子盆景:控制神经元分支的修剪和强化

Biomolecular bonsai: Co<em></em>ntrolling the pruning and strengthening of neuron branches

此时此刻,你大脑中的数十亿神经元正在利用它们的万亿连接来让你阅读和理解这句话。

现在,九州大学医学科学学院的研究人员通过研究涉及嗅觉的神经元,报告了生物分子盆景背后的一种新机制,选择性地加强了这些连接。

神经元回路如何随着时间的推移而自我重塑,尤其是在早期发育过程中,是神经生物学中一个悬而未决的问题。在神经元发育初期,神经元形成了过多的连接,随着其他连接的加强,这些连接逐渐消失。

研究小组在老鼠身上研究一种被称为二尖瓣细胞的嗅觉神经元,发现蛋白BMPR-2是神经元分支选择性稳定的关键调节器之一,这种强化只发生在该分支接收到来自其他神经元的信号时。

“我们使用嗅觉神经元的一个主要原因是它们很容易获取和研究,而二尖瓣细胞只发育一个分支,”发表在《细胞报告》(Cell Reports)上的这项研究的第一作者Shuhei Aihara解释说。

“当嗅觉神经元检测到我们闻到的特定分子时,它会将信号发送到大脑嗅球中一个叫做肾小球的特定‘中转站’。然后信号通过二尖瓣细胞传递到大脑。一个二尖瓣细胞接收特定气味的信号。”

在发育的非常早期阶段,这些二尖瓣细胞将分支送入许多肾小球。随着时间的推移,这些被称为树突的树枝被修剪掉,只留下一个单独的、牢固的连接。该研究小组开始研究是什么样的分子线索导致一个分支比其他分支更受青睐。

Biomolecular bonsai: Co<em></em>ntrolling the pruning and strengthening of neuron branches在小鼠发育的早期阶段,二尖瓣细胞相互作用 与多个肾小球无连接。随着发育的进行,多余的分支被修剪掉,最终每个二尖瓣细胞形成一个单独的分支 只有一个肾小球支配着单一的气味。资料来源:九州大学/Imai实验室

在分析了已知的从外部信号控制树突生长和重塑的候选因子后,该团队将重点放在了蛋白质BMPR-2上。

Aihara解释说:“当我们破坏BMPR-2时,二尖瓣细胞将在选择性稳定中失败,并形成多个与多个肾小球的连接。”“在我们的下一步研究中,我们发现BMPR-2与一种名为LIMK的蛋白质结合,只有当BMPR-2被称为BMP的细胞信号蛋白激活时,它才会将LIMK释放到细胞中。”

据了解,LIMK可以激活组装肌动蛋白(细胞的骨架)的过程。“一旦被激活,肌动蛋白就开始形成稳定树突的长纤维。

然而,这仍然不能解释这种机制是如何强化特定的树突的。该团队的下一步是寻找激活LIMK的元素。他们的研究使他们确定了一种著名的神经递质,谷氨酸,作为启动这一过程的因素之一。

“神经元之间传递信号需要谷氨酸。综上所述,这意味着BMP和神经信号都是形成肌动蛋白的必要条件,从而诱导稳定树突的构建,”Aihara说。

“这就像你车里的刹车和油门。你需要松开刹车,在这种情况下,BMPR-2释放LIMK,然后按下加速器——神经递质信号——让你的机器继续前进。同时控制或输入的必要性是选择性支路稳定的基础。

领导该团队的Takeshi Imai总结道:“希望这些关于神经发育的新见解能够进一步理解关键大脑功能背后的基本机制,以及对突触功能障碍所强调的病理的可能治疗。”

“我们的下一步是寻找促进树突修剪的因素,我们还想看看嗅球中的这种机制是否在整个新皮层中是基本的。”