Клетки Маутнера — это пара крупных и легко идентифицируемых нейронов (по одному на каждую половину тела), расположенных в 4-м ромбомере заднего мозга рыб и амфибий , отвечающих за очень быстрый рефлекс бегства (у большинства животных — так называемый ответ C-start). Клетки также отличаются необычным использованием как химических, так и электрических синапсов . [1]
Клетки Маутнера впервые появляются у миног (отсутствуют у миксин и ланцетников ) [2] и присутствуют практически у всех костистых рыб, а также у земноводных (в том числе у постметаморфических лягушек и жаб [3] ). Однако некоторые рыбы, такие как пиназы , похоже, потеряли клетки Маутнера. [4]
C-старт — это тип очень быстрого рефлекса испуга или бегства , который используется рыбами и земноводными (включая личинки лягушек и жаб). В C-старте есть две последовательные стадии: во-первых, голова вращается вокруг центра масс в направлении будущего побега, а тело животного имеет искривление, напоминающее букву С; затем, на втором этапе, животное продвигают вперед. [5] Продолжительность этих стадий варьируется от вида к виду примерно от 10 до 20 мс для первой стадии и от 20 до 30 мс для второй. [1] [4] У рыб такое движение вперед не требует сокращения мышцы -антагониста, а является результатом жесткости тела и гидродинамического сопротивления хвоста . Когда на стадии 2 происходит антагонистическое мышечное сокращение, рыба вращается в противоположном направлении, производя встречный поворот и изменение направления.
В случаях, когда резкий акустический , тактильный или зрительный стимул вызывает одиночный потенциал действия в одной М-клетке, это всегда коррелирует с контралатеральным ускользанием С-старта. [6] Чрезвычайно быстрая тормозная схема взаимной обратной связи гарантирует, что только одна М-клетка достигнет порога всплеска (поскольку С-старт по определению должен быть односторонним ) и что активируется только один потенциал действия. [1]
Рефлекс C-start, опосредованный клетками Маутнера, очень быстрый, с задержкой около 5–10 мс между акустическим/тактильным стимулом и разрядом клеток Маутнера и всего около 2 мс между разрядом и односторонним сокращением мышц. [1] [6] Таким образом, клетки Маутнера являются самым быстрым мотонейроном, реагирующим на стимул. Это делает реакцию C-start поведенчески важной как способ инициировать рефлекс побега по принципу «все или ничего» , в то время как направление и скорость побега можно скорректировать позже за счет активности более мелких мотонейронов.
У личинок рыбок данио около 60% общей популяции ретикулоспинальных нейронов также активируются стимулом, который вызывает ускользание M-шипа и C-start. Хорошо изученной группой этих ретикулоспинальных нейронов являются билатерально спаренные гомологи М-клеток , обозначаемые MiD2cm и MiD3cm. Эти нейроны демонстрируют морфологическое сходство с М-клетками, включая латеральный и вентральный дендрит. Они расположены в ромбомерах 5 и 6 заднего мозга соответственно и также получают слуховой сигнал параллельно с М-клеткой pVIII нерва . У рыб стимулы струи воды, которые активируют эти нейроны, вызывают немаутнеровские C-старты с более длительным латентным периодом по сравнению со запусками, связанными с М-клетками.
Хотя М-клетку часто считают прототипом командного нейрона у позвоночных , это обозначение не может быть полностью оправданным. Хотя электрической стимуляции М-клетки достаточно для вызова С-старта, этот С-старт обычно слабее, чем тот, который вызывается сенсорным стимулом. [7] Более того, С-старт может быть вызван даже при удалении М-клетки , хотя в этом случае латентный период ответа увеличивается. [8] Наиболее широко распространенная модель системы М-клеток, или сети спасения ствола мозга, заключается в том, что М-клетка инициирует фиксированный паттерн действий влево или вправо, активируя спинальную двигательную цепь, первоначально описанную Дж. Даймондом и его коллегами. , но точная траектория побега кодируется популяционной активностью других классов ретикулоспинальных нейронов, функционирующих параллельно с М-клетками. Это мнение подтверждается исследованиями с использованием визуализации кальция in vivo у личинок рыбок данио, которые показывают, что MiD2cm и MiD3cm активируются вместе с М-клеткой, когда вызывающий раздражение стимул направлен на голову, а не на хвост, и коррелируют с C-началами больший начальный угол поворота.
Другой компонент реакции побега опосредован краниальными релейными нейронами, которые активируются спайком клеток Маутнера. Эти нейроны электрически связаны с мотонейронами, которые иннервируют экстраокулярные, челюстные и покрышные мышцы и опосредуют приведение грудных плавников у топорика . [9] [10] Этот компонент нейронной цепи был впервые описан Майклом В.Л. Беннеттом и его коллегами.
Клетки Маутнера могут быть вовлечены и в другие модели поведения, кроме С-старта, если эти типы поведения также требуют чрезвычайно быстрых сгибательных движений тела. Так, у золотой рыбки клетки Маутнера активируются при поимке добычи у поверхности воды, поскольку этот вид охоты опасен для рыбы, и ей было бы полезно покинуть поверхность как можно скорее после поимки добычи. [11]
У взрослых постметаморфических бесхвостых животных (лягушек и жаб), не имеющих хвоста, М-клетки тем не менее сохраняются [3] и их разрядка связана с быстрым движением ног при побеге. [12] Кроме того, личинки миног (угреобразные бесчелюстные рыбы надкласса Круглостоматые) демонстрируют быстрое отдергивание, которое коррелирует с активностью клеток Маутнера и включает двусторонние, зависящие от положения мышечные сокращения по длине тела. [13] Личинки миног (ammocoetes) — это фильтраторы, которые занимают серповидные норы на илистом или илистом дне русл пресноводных ручьев, располагая рот на поверхности ила или чуть выше его. Внезапная вибрация активирует оба нейрона Маутнера в стволе мозга миноги, что вызывает мышечное сокращение туловища и хвоста, напоминающее аккордеон, и втягивает голову в нору.
М-клетка имеет два первичных аспиевых (без дендритных шипов ) дендритов , которые получают отдельные входные сигналы от различных частей нервной системы. [1] Один дендрит выступает латерально, а другой — либо в вентральном, либо в медиальном направлении, в зависимости от вида. [14]
Вентральный дендрит получает информацию от зрительного покрова [15] и спинного мозга [16] , тогда как латеральный дендрит получает входные данные от октоволатеральных систем ( латеральная линия , акустические входы от внутреннего уха и инерционная информация от статолитов, приносимых краниальной нерв VIII ). [1]
Волокна ипсилатерального черепного нерва VIII оканчиваются возбуждающими смешанными электрическими и глутаматергическими синапсами на М-клетке. Они также электрически активируют глицинергические тормозные интернейроны, оканчивающиеся на М-клетках. Несмотря на то, что тормозной сигнал имеет на своем пути еще один синапс, между возбуждением и торможением нет задержки, поскольку промежуточный синапс является электрическим. Показано, что при слабых раздражителях торможение побеждает возбуждение, не давая М-клетке разрядиться, а при более сильных раздражителях возбуждение становится доминирующим. [17] Афференты внутреннего уха также заканчиваются электрическими синапсами на ингибирующих PHP интернейронах (см. ниже), чтобы обеспечить дополнительный уровень прямого торможения. Клетка Маутнера также имеет ГАМК- , дофамин- , серотонин- и соматостатинергические входы, каждый из которых ограничен определенной дендритной областью. [1]
Входные сигналы от зрительного тектума и боковой линии помогают контролировать, в какую сторону изгибается C-искра, смещая клетки Маутнера, когда поблизости есть препятствия. В тех случаях, когда движение в сторону от раздражителя заблокировано, рыба может наклониться в сторону раздражителя. [1] [18]
Аксонный бугорок клеток Маутнера окружен плотным образованием нейропиля, называемым аксонной шапочкой . [2] Высокое сопротивление этой крышки аксона способствует типичной форме потенциала поля клетки Маутнера (см. Ниже). В наиболее развитой форме крышка аксона состоит из ядра, непосредственно примыкающего к аксону клетки Маутнера и содержащего сеть очень тонких безмиелиновых волокон, и периферической части. Эта периферическая часть содержит крупные немиелиновые волокна нейронов PHP (см. ниже), которые обеспечивают тормозную обратную связь с клетками Маутнера; сама клетка Маутнера также посылает небольшие дендриты от своего аксонного холма к периферической части аксонной крышки. Наконец, поверхность чехлика аксона покрыта стенкой колпачка, состоящей из нескольких слоев астроцитоподобных глиальных клеток. И глиальные клетки, и немиелиновые волокна соединяются друг с другом посредством щелевых соединений . [19]
Эволюционно аксонная крышка является более поздней разработкой, чем сама клетка Маутнера, поэтому некоторые животные, такие как миноги и угри , хотя и имеют функциональные клетки Маутнера, вообще не имеют аксонной крышки, в то время как некоторые другие животные, такие как амфибии и Двоякодышащие рыбы , у них есть очень упрощенная версия. [2]
Основной частью сети, связанной с клетками Маутнера, является сеть отрицательной обратной связи, которая гарантирует, что только одна из двух клеток Маутнера срабатывает в ответ на стимул и что какая бы клетка Маутнера ни сработала, она делает это только один раз. Оба эти требования вполне естественны, учитывая, что последствия одиночного разряда ячейки Маутнера столь сильны; несоблюдение этих двух правил не только не позволит животному сбежать, но даже может нанести ему физический вред. Самая быстрая часть этой сети отрицательной обратной связи, которая также является ближайшей к ячейке Маутнера, — это так называемый потенциал пассивного гиперполяризующего поля или PHP-нейроны . [1] Волокна этих нейронов расположены в капсуле аксона и получают входные сигналы как от ипсилатеральных , так и от контралатеральных клеток Маутнера. Потенциалы поля PHP-нейронов сильно положительны и составляют часть «сигнатурного поля потенциала» клетки Маутнера (см. ниже), при этом ранний (ипсилатерально инициируемый) компонент называется внеклеточным гиперполяризующим потенциалом (ЭГП), а более поздний (контралатерально инициируемый) компонент иногда называют в литературе поздним коллатеральным торможением (LCI). [19] Действие PHP-нейронов на клетки Маутнера опосредовано электрическими, а не химическими эффектами: внешние токи, генерируемые потенциалами действия в волокнах покрышки аксона, текут внутрь через аксонный холмик клетки Маутнера и гиперполяризуют его. [1]
Единственный аксон клетки Маутнера достигает средней линии заднего мозга , быстро пересекает ее на контралатеральную сторону, а затем спускается каудально вдоль спинного мозга . [19] Одиночный разряд М-клетки оказывает целый набор параллельных эффектов на двигательные сети спинного мозга: 1) моносинаптически возбуждает крупные первичные мотонейроны на одной стороне тела; 2) дисинаптически возбуждает более мелкие мотонейроны на одной стороне тела; 3) инициирует потенциалы действия в тормозных интернейронах , электрически связанных с аксоном М-клетки, и с их помощью тормозит а) тормозные интернейроны, находящиеся еще на той же стороне тела (чтобы они не мешали С-старту), а также б) мотонейроны на другой стороне тела. В результате такой схемы активации быстрые мышцы на одной стороне тела сокращаются одновременно, а мышцы на другой стороне тела расслабляются. [20]
Торможение М-клетки клетками PHP происходит за счет эфаптических взаимодействий . Торможение осуществляется без химических синапсов или электрической синаптической связи, имеющей щелевые контакты с низким сопротивлением, соединяющие клетки. Когда область аксона клетки PHP вне аксонной крышки деполяризуется, приток положительного заряда в клетку через потенциалзависимые натриевые каналы сопровождается пассивным оттоком тока из аксона клетки PHP в область, связанную аксонной крышкой. Из-за высокого сопротивления окружающих глиальных клеток заряд не рассеивается, а потенциал на мембране М-клетки увеличивается, гиперполяризуя ее.
Из-за своего размера, наличия сети быстрой обратной связи и обилия электрических и квазиэлектрических ( эфаптических ) синапсов клетка Маутнера обладает сильным полевым потенциалом очень характерной формы. [6] [19] Этот потенциал поля начинается с высокоамплитудного потенциала (до десятков милливольт) , который возникает в результате разряда ячейки Маутнера, за которым следует положительный потенциал, называемый внешним гиперполяризующим потенциалом или EHP, который связано с деятельностью сети рекуррентной обратной связи. [1]
Благодаря высокой амплитуде у некоторых животных отрицательная часть потенциала поля клетки Маутнера может быть обнаружена на расстоянии до нескольких сотен микрометров от самой клетки. [6] Положительные компоненты потенциала поля наиболее сильны в покрышке аксона, достигая амплитуды 45 мВ у взрослых золотых рыбок. [19] Зная эти свойства потенциала поля, можно использовать мониторинг потенциала поля как способ обнаружения тела клетки Маутнера in vivo или in vitro в препарате всего мозга, перемещая записывающий электрод в заднем мозге. , одновременно стимулируя спинной мозг , вызывая тем самым антидромные потенциалы действия в аксоне клетки Маутнера. [19]
Было показано, что применение серотонина увеличивает тормозные воздействия на М-клетку, а применение дофамина – увеличивает амплитуду как химических, так и электрических компонентов ответов VIII нерва посредством G-белка -опосредованной активации постсинаптического рецептора D2 . [1] Зависимая от активности ДП может быть вызвана в М-клетках высокочастотной стимуляцией VIII нерва. Удивительно, но эта ДП опосредована электрическими синапсами и, как предполагается, включает модификацию каналов щелевых соединений . [1] Также была продемонстрирована возможность индукции ДП сенсорными стимулами in vivo , [1] и доказательства ингибирующего воздействия ДП на М-клетки [17] .
Спонтанное предпочтение направления поворота у молоди золотых рыбок коррелирует с тем, что одна из клеток Маутнера больше другой. Изменить предпочтения рыб можно, подняв их в условиях, облегчающих повороты в определенном направлении; этот сдвиг сопровождается соответствующим изменением размеров М-клеток. [21]
Клетка Маутнера была впервые идентифицирована венским офтальмологом Людвигом Маутнером у костистых рыб из-за связанной с ней нервной цепи, которая опосредует реакцию бегства, называемую C-старт или C- испуг , чтобы направить рыбу от хищника.
М-клетка — модельная система в области нейроэтологии . Система М-клеток послужила для детальных нейрофизиологических и гистологических исследований синаптической передачи и синаптической пластичности . [1] Исследования Дональда Фабера и Анри Корна помогли установить гипотезу одной пузырьковой синаптической передачи в ЦНС . Другие важные темы исследований, которые изучались в системе М-клеток, включают исследования Йоичи Оды и его коллег по тормозной долгосрочной потенциации и слуховому обуславливанию реакции испуга, а также исследования Альберто Переды и его коллег по пластичности электрических синапсов . Другие темы исследований, изучаемые в системе М-клеток, включают исследования спинальных нейронных сетей и регенерации нейронов Джо Фетчо и его коллег, а также локализацию звука под водой и биофизику вычислений в отдельных нейронах.