Нейроны гигантоклеточного ядра заставили мышей свернуть налево
Ученые из Дании и США показали, что нейроны гигантоклеточного ядра ствола мозга управляют асимметричными ритмическими движениями мышей. При стимуляции левого гигантоклеточного ядра животные поворачивали налево: активность мышц левых лап снижалась, а тонус мышц левой половины туловища усиливался. Ранее механизм рассинхронизации скелетной мускулатуры на уровне ствола мозга был неясен. Исследование опубликовано в журнале Nature Neuroscience.
Последовательностью сокращения мышц при ритмических движениях (например, ходьбе) управляют моторные нейроны спинного мозга. Сигнал о начале или конце движения, а также о его скорости приходит из вышестоящих отделов нервной системы. Области и нейроны, которые отвечают за соответствующие команды, нашли в стволе мозга, пути инициации движения хорошо изучены.
Если стимулировать область ствола мозга, в которой возникает команда начать движение, только с одной стороны (например, справа), животное пойдет вперед и будет симметрично переставлять лапы. Такая билатеральная синхронизация возможна благодаря множеству комиссуральных волокон (проходящих из левой части ствола мозга в аналогичную зону справа). Они передают возбуждение во вторую половину мозга, и движение получается симметричным.
Даже если односторонне повредить кортикоспинальный тракт (путь, по которому моторные команды спускаются из коры больших полушарий в спинной мозг), поза и движения животного останутся симметричными. Возникает вопрос — что происходит, если животному нужно повернуть направо или налево? Для этого нужно рассинхронизировать работу нейронов. Какие механизмы обеспечивают асимметричные команды для мышц, пока не ясно.
Группа ученых под руководством Оле Кина (Ole Kiehn) из Копенгагенского университета предположила, что асимметричные движения могут запускать нейроны ретикулярного гигантоклеточного ядра. Для начала исследователи убедились, что проекции этих нейронов спускаются в спинной мозг ипсилатерально (иннервируют клетки только той же половины мозга) — это условие необходимо для запуска односторонних движений. В гигантоклеточное ядро мышей с одной стороны вводили метку — вирус, который двигался по аксонам нейронов в сторону их мишеней. К вирусу прикрепили флуоресцентную молекулу, и его распределение можно было наблюдать с помощью микроскопа.
Проекции нейронов гигантоклеточного ядра действительно спускались ипсилатерально, около 80 процентов этих клеток образовали синапсы в соответствующей половине спинного мозга (p < 0,001). Мишенями нервных клеток были не моторные нейроны, которые непосредственно запускают сокращение мышц, а вставочные нейроны задних рогов спинного мозга.
Нейроны левого гигантоклеточного ядра стимулировали клозапин-N-оксидом или светом (оптогенетически), предварительно встроив в них соответствующие рецепторы. За поведением мышей наблюдали в вертикальном цилиндре, в котором животные поворачиваются вокруг своей оси, в тесте «открытое поле» (квадратной арене длиной 50 сантиметров) и в лево- или право-закрученных спиральных лабиринтах. Чтобы понять, какие особенности движений конечностей обеспечивают повороты животного, по видео мыши в открытом поле анализировали длину шагов левых и правых лап.
Когда животным вводили клозапин-N-оксид, в цилиндре они крутились влево (p < 0,001), а в открытом поле все чаще изменяли траекторию движения и поворачивали налево (p < 0,001). Через 10 минут постоянного введения вещества мыши поворачивали только налево, а когда животные не двигались, их поза была асимметрична и смещена влево. После кратковременной оптогенетической стимуляции левого гигантоклеточного ядра бегущие прямо мыши резко поворачивали налево. Когда нейроны левого гигантоклеточного ядра тормозили, животные, наоборот, больше поворачивали направо (p < 0,001).
Интактные животные быстро выбирались как из лево-, так и из право-закрученного спирального лабиринта. Когда же стимулировали левое гигантоклеточное ядро, мыши с трудом находили выход из право-закрученного лабиринта.
Когда животные (как интактные, так и те, у кого стимулировали или затормаживали гигантоклеточные нейроны) поворачивали налево, длина шагов левых лап у них сокращалась, обратную зависимость наблюдали при правых поворотах.
Ученые проверили, как именно активация гигантоклеточного ядра влияет на динамику сокращений мышц конечностей. Для этого стимулировали нейроны в культуре ствола мозга и спинного мозга и in vivo. Возбуждение гигантоклеточного ядра приводило к торможению ритмической локомоторной активности в левой части поясничного отдела спинного мозга или в левых лапах. Параллельно происходила активация нейронов, которые контролируют мышцы туловища. Эти два процесса и приводят к уменьшению длины шагов левых лап и повороту туловища влево.
Наконец, исследователи выяснили, какие вышестоящие области мозга спускают проекции в гигантоклеточное ядро. Для этого использовали метод транссинаптического мечения и ретроградного отслеживания: в исследуемую зону ствола мозга вводили вирус, который сквозь синаптическую щель проникал в аксоны пресинаптических нейронов и по отростку двигался к телу нейрона.
На гигантоклеточном ядре заканчивались проекции нейронов контралатерального верхнего холмика и других областей среднего мозга. Когда проекции из верхнего двухолмия активировали, мыши поворачивали ипсилатерально.
Асимметрия часто встречается в поведении животных. Например, детеныши многих млекопитающих поворачиваются к матери левым боком чаще, чем правым, а самки предпочитают держать детенышей слева. Использовать асимметрию можно не только в биологии: химикам асимметричные электроды помогли получить водород чистотой 99 процентов.
Алиса Бахарева
Для этого растению понадобилось 15 минут
Японские ученые отследили механизм работы белков семейства LAZY, занимающих ключевое место в восприятии силы тяжести растениями. В покое белки экспонированы на поверхности статолитов — органелл, имеющих высокую плотность и лежащих из-за этого в нижних частях клетки. Но наклон ростков резуховидки Таля приводил к тому, что статолиты перемещались в новые нижние участки клетки, оставляя отпечаток из белков LAZY. Белки, перенесенные с мембраны статолитов на цитоплазматическую мембрану, маркируют новое направление роста и изгиба корня. Исследование опубликовано в журнале Science. У корней большинства высших растений выражен гравитропизм, то есть движение в сторону источника силы тяжести. За гравитропизм корней отвечают клетки-статоциты, входящие в состав корневого чехлика. В них находятся органеллы статолиты — родственники хлоропластов, заполненные крахмалом и лежащие в нижней части клетки из-за более высокой, чем у цитоплазмы, плотности. Статолиты маркируют направление изгиба и роста корня, поскольку клетка экспортирует фитогормон ауксин в ту сторону, куда указывают органеллы, а ауксин вызывает растяжение клеток (по такому принципу поворачиваются растения подсолнечника в течение дня) и стимулирует их деление. Все эти детали были известны еще 50 лет назад, но механизмы, связывающие оседание статолитов и направление транспорта ауксина, за прошедшее время так и не были расшифрованы. Впрочем, было установлено, что белки семейств LAZY и RLD имеют отношение в гравитропизму, ведь корни растений, у которых выключены эти гены, перестают расти вниз. Молекулярные биологи и физиологи растений из нескольких университетов США и Японии при участии Миё Тэрао Морита (Miyo Terao Morita) из Национального института фундаментальной биологии в Окадзаки сосредоточились на изучении работы двух белков семейства LAZY — LZY3 и LZY4 — в корневом чехлике резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana). Анализ аминокислотной последовательности LZY3 и LZY4 показал, что у белков нет трансмембранного домена для заякоривания в мембране, зато есть гидрофобные и положительно заряженные участки для взаимодействия с фосфолипидами внутреннего слоя мембраны. Точечные мутации в этих участках белков нарушали гравитропизм у ростков резуховидки. Поскольку белок с таким строением неспособен прочно фиксироваться в мембране, но при этом критически важен для гравитропизма, то, предположили биологи, он может слабо прикрепляться попеременно к плазматической мембраной и к гликолипидам внешней мембраны статолитов. И действительно, LZY3 и LZY4 были обнаружены на поверхности обеих мембран. Далее ученые при помощи конфокальной микроскопии отследили, как меняется распределение LZY4 в живой клетке после наклона ростков на 90-135 градусов. Уже спустя три минуты статолиты оказывались в нижней части клетки. Через 15 минут обнаружились метки LZY4 на прилежащем участке плазмалеммы, а первые признаки изменения формы корня появились через полчаса с начала эксперимента. Помимо воздействия гравитацией, ученые подвигали амилопласты внутри живых клеток при помощи оптического пинцета, чтобы исключить, что полярность клетки управляется какими-либо другими органеллами, имеющими высокую плотность. Как и в эксперименте с наклоном ростка, через несколько минут флуоресцентная метка, пришитая к LZY4, переходила с пластид на плазматическую мембрану. После оседания LZY на мембране с ним связывались белки семейства RLD, которые, в свою очередь, привлекают на мембрану белки-экспортеры ауксина. Таким образом, японские ученые описали еще один механизм механорецепции живыми организмами. По словам авторов статьи, принцип работы LAZY-зависимых сенсоров, чувствующих направление силы притяжения, но не ее величину, похож на работу «аналогового» инклинометра. Человеческие же проприорецепторы, полукружные канальцы и отолитовые органы работают как акселерометры, детектирующие линейное или угловое ускорение при движении головы, внутренних органов или мышц. Подробнее о принципе их работы можно прочитать в нашем материале «Премия за самочувствие». Градиент ауксина в корне влияет на только на его рост в физиологических условиях, но и, к примеру, на заживление ран.