A kutatók 2016-ban egy új mechanizmust azonosítottak, amely az agy fejlődését szabályozza: az idegsejtek nemcsak „megérzik” a környezetükben lévő vegyi anyagokat, hanem „tapintással” is átjutnak a fejlődő agyon.
A mechanikai vizsgálata új áttörésekhez vezethet az idegsejtek regenerációjának megértésében.
Kristian Franze
A tudósok felfedezték, hogy a fejlődő idegsejtek képesek „érezni” a környezetüket növekedésük során, ami segít nekik a megfelelő kapcsolatok kialakításában az agyon belül és a test más részeivel. A Nature Neuroscience folyóiratban közölt eredmények új kutatási utakat nyithatnak meg az agyfejlődésben, és a gerincvelő-sérülések és más típusú neuronális károsodások lehetséges kezelési módjaihoz vezethetnek.
Ahogy az agy fejlődik, nagyjából 100 milliárd neuron több mint 100 billió kapcsolatot hoz létre információk küldésére és fogadására. Évtizedek óta széles körben elfogadott, hogy az idegsejtek növekedését apró jelátviteli molekulák szabályozzák, amelyeket a növekvő neuronok „kiszagolnak”, megmondva nekik, merre kell haladniuk, hogy megtalálhassák a pontos célpontjukat. A Cambridge-i Egyetem kutatói által végzett új tanulmány kimutatta, hogy az idegsejtek növekedését nemcsak ezek a kémiai jelek szabályozzák, hanem a környezetük fizikai tulajdonságai is, amelyek az idegsejteket a növekedésükhöz használt szövet komplex merevségi mintázatai mentén vezetik.
„Az a tény, hogy a fejlődő agy neuronjai nemcsak a kémiai jelekre reagálnak, hanem a környezetük mechanikai tulajdonságaira is, számos izgalmas új utat nyit meg az agyfejlődés kutatásában” – mondta a tanulmány vezető szerzője, Dr. Kristian Franze, a Cambridge-i Egyetem Élettani, Fejlődéstani és Idegtudományi Tanszékéről. „A mechanika figyelembevétele új áttörésekhez is vezethet a neuronális regeneráció megértésében. Például a gerincvelő-sérülések után a neuronok képtelensége a sérült szöveten keresztül megváltozott mechanikai tulajdonságokkal újranőni, állandó kihívást jelent az orvostudományban.”
Érzékszerveink segítségével tájékozódunk a világban, melyek környezetünk különböző aspektusaival való interakciókon alapulnak – a tengerparton érezzük a levegő sós illatát és ízét, érezzük a homokszemeket és a víz hidegét, és halljuk a hullámok morajlását a parton. Testünkben az egyes neuronok érzékelik és reagálnak a környezetükre – „megízlelik” és „megszagolják” a kis kémiai molekulákat, és – ahogy ez a tanulmány is mutatja – „érzik” a környezetük merevségét és szerkezetét. Ezeket az érzékszerveket használják arra, hogy meghatározzák, hogyan és hol nőnek.
Egy hosszú, drótszerű nyúlvány, az úgynevezett axon segítségével a neuronok elektromos jeleket szállítanak az agyban és a testben. A fejlődés során az axonoknak pontosan meghatározott útvonalak mentén kell növekedniük, amíg végül összekapcsolódnak a célpontjaikkal. Az így létrejövő rendkívül összetett hálózatok az összes testfunkciót irányítják. A neuronális „huzalozás” hibái vagy a kapcsolatok katasztrofális megszakadása, mint például a gerincvelő-sérülés során, súlyos fogyatékosságokhoz vezethet.
Számos kémiai jelet azonosítottak, amelyek az axonok növekedését szabályozzák. Ezeket a „irányító jeleknek” nevezett molekulákat a növekvő axonokat körülvevő szövet sejtjei termelik, és vonzhatják vagy taszíthatják az axonokat, a helyes útvonalon irányítva azokat. A kémiai irányító jelek önmagukban azonban nem tudják teljes mértékben megmagyarázni a neuronális növekedési mintákat, ami arra utal, hogy más tényezők is hozzájárulnak az idegsejtek irányításához.
Az egyik ilyen tényező a mechanika: az axonok „tapintás” érzékkel is rendelkeznek. A mozgáshoz a növekvő neuronoknak erőt kell kifejteniük a környezetükre. A környezet viszont visszahat az erőkre, és az axonok így „érezhetik” környezetük mechanikai tulajdonságait, például annak merevségét. „Gondoljunk a különbségre a sárban és a kemény sziklán való járás között – a járásmód, az egyensúlyunk és a sebességünk eltérő lesz ezen a két felületen” – mondta Franze. „Hasonlóképpen, az axonok a környezetük mechanikai tulajdonságaitól függően módosítják növekedési viselkedésüket.” Azonban egészen a közelmúltig nem volt ismert, hogy az axonok milyen környezettel találkoznak növekedésük során, ezért Franze és kollégái úgy döntöttek, hogy kiderítik.
Egy új, atomerő-mikroszkópián alapuló technikát fejlesztettek ki a fejlődő Xenopus béka agy merevségének nagy felbontásban történő mérésére – feltárva, hogy mit érezhetnek az axonok, miközben az agyban növekednek. A tanulmány a merevség komplex mintázatait tárta fel a fejlődő agyban, amelyek úgy tűnt, hogy megjósolják az axonok növekedési irányát. A kutatók kimutatták, hogy az axonok elkerülik az agy merevebb területeit, és a puhább régiók felé növekednek. Az agy normál merevségének megváltoztatása az axonok elvesztéséhez vezetett, és nem találták meg a célpontjaikat.
Christine Holt professzor kutatócsoportjával együttműködve a csapat ezután azt vizsgálta, hogy pontosan hogyan érzékelik az axonok a környezetüket. Azt találták, hogy a neuronok Piezo1 nevű ioncsatornákat tartalmaznak, amelyek a sejtmembránban helyezkednek el: a sejt és a környezet közötti gátban. Ezek a csatornák csak akkor nyílnak meg, ha elég nagy erő hat rájuk, hasonlóan a légmatracok szelepeihez. Ezen csatornák megnyílása apró pórusokat hoz létre a neuronok membránjában, amelyek lehetővé teszik a kalciumionok bejutását a sejtekbe. A kalcium ezután számos olyan reakciót indít el, amelyek megváltoztatják a neuronok növekedését.
Amikor a neuronális membránokat egy pókméregből kivont anyaggal merevítették meg, ami megnehezítette a csatornák megnyitását, az idegsejtek „elzsibbadtak” a környezeti merevséggel szemben. Ez az axonok rendellenes növekedését okozta anélkül, hogy elérték volna a célpontjukat. A Piezo1 eltávolítása a sejtekből, hasonlóképpen megszüntetve az axonok azon képességét, hogy érzékeljék a merevségbeli különbségeket, ugyanazt a hatást váltotta ki.
„Már elég sokat tudunk a kémiai jelek detektálásáról és integrálásáról” – mondta Franze. „Ha mechanikai jeleket is hozzáadunk ehhez a képhez, jobban megérthetjük az idegrendszer növekedését és fejlődését. Ezek az ismeretek segítenek majd megválaszolni a fejlődésbiológia, valamint a biomedicina és a regeneratív biológia kritikus kérdéseit.”
Hivatkozás:
David E. Koser és munkatársai: „ A mechanoszenzorozás kritikus fontosságú az axonnövekedéshez a fejlődő agyban .” Nature Neuroscience (2016). DOI: 10.1038/nn.4394
