Клетки Маутнера — это пара крупных и легко идентифицируемых нейронов (по одному на каждую половину тела), расположенных в ромбомере 4 заднего мозга у рыб и амфибий , которые отвечают за очень быстрый рефлекс побега (у большинства животных — так называемый C-стартовый ответ). Клетки также примечательны своим необычным использованием как химических, так и электрических синапсов . [1]
Клетки Маутнера впервые появляются у миног (отсутствуя у миксин и ланцетников ), [2] и присутствуют практически у всех костистых рыб, а также у амфибий (включая постметаморфических лягушек и жаб [3] ). Однако некоторые рыбы, такие как пинагоры , похоже, утратили клетки Маутнера. [4]
C-старт — это тип очень быстрого рефлекса испуга или побега , который используется рыбами и земноводными (включая личинок лягушек и жаб). В C-старте есть две последовательные стадии: во-первых, голова вращается вокруг центра масс в направлении будущего побега, а тело животного демонстрирует кривизну, напоминающую букву C; затем, на второй стадии, животное продвигается вперед. [5] Продолжительность этих стадий варьируется от вида к виду от примерно 10 до 20 мс для первой стадии и от 20 до 30 мс для второй. [1] [4] У рыб это поступательное движение не требует сокращения антагонистических мышц , но является результатом жесткости тела и гидродинамического сопротивления хвоста . Когда антагонистическое мышечное сокращение происходит во время стадии 2, рыба вращается в противоположном направлении, производя встречный поворот и изменение направления .
В случаях, когда резкий акустический , тактильный или визуальный стимул вызывает одиночный потенциал действия в одной М-клетке, он всегда коррелирует с контралатеральным выходом С-старта. [6] Чрезвычайно быстрая взаимная обратная связь тормозной цепи затем гарантирует, что только одна М-клетка достигает порога спайка — поскольку С-старт должен быть односторонним по определению — и что только один потенциал действия запускается. [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 мышцы. [1] [6] Таким образом, клетки Маутнера являются самыми быстрыми двигательными нейронами, реагирующими на стимул. Это делает реакцию C-start поведенчески важной как способ инициировать рефлекс избегания по принципу « все или ничего» , в то время как направление и скорость избегания могут быть скорректированы позже посредством активности более мелких двигательных нейронов.
У личинок данио-рерио около ~60% от общей популяции ретикулоспинальных нейронов также активируются стимулом, который вызывает спайк М и побег С-старта. Хорошо изученная группа этих ретикулоспинальных нейронов - это билатерально парные гомологи М-клеток , обозначаемые MiD2cm и MiD3cm. Эти нейроны демонстрируют морфологическое сходство с М-клеткой, включая латеральный и вентральный дендрит. Они расположены в ромбомерах 5 и 6 заднего мозга соответственно, а также получают слуховой вход параллельно с М-клеткой от pVIIIth нерва . У рыб стимулы струи воды, которые активируют эти нейроны, вызывают не-маутнеровские инициированные С-старты с более длительной задержкой по сравнению с таковыми, связанными с М-клетками.
Хотя М-клетки часто считаются прототипом командного нейрона у позвоночных , это обозначение может быть не полностью оправдано. Хотя электрическая стимуляция М-клетки достаточна для того, чтобы вызвать С-старт, этот С-старт обычно слабее, чем тот, который вызывается сенсорным стимулом. [7] Более того, С-старт может быть вызван даже при абляции М-клетки , хотя в этом случае латентность ответа увеличивается. [8] Наиболее широко принятая модель системы М-клеток, или сети ускользания ствола мозга, заключается в том, что М-клетка инициирует фиксированный шаблон действия влево или вправо, активируя спинномозговую двигательную цепь, первоначально описанную Дж. Даймондом и коллегами, но точная траектория ускользания кодируется популяционной активностью в других классах ретикулоспинальных нейронов, функционирующих параллельно с М-клеткой. Это представление подтверждается исследованиями с использованием визуализации кальция in vivo у личинок данио-рерио, которые показывают, что MiD2cm и MiD3cm активируются вместе с М-клетками, когда раздражающий стимул направлен на голову, но не на хвост, и коррелируют с С-стартами большего начального угла 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 оперкулярные мышцы и опосредуют приведение грудных плавников у топориков . [9] [10] Этот компонент нейронной цепи был впервые описан Майклом В. Л. Беннеттом и его коллегами.
Клетки Маутнера могут быть вовлечены в поведенческие паттерны, отличные от С-старта, если эти типы поведения также требуют чрезвычайно быстрого изгибающего движения тела. Так, у золотой рыбки клетки Маутнера активируются во время захвата добычи у поверхности воды, поскольку этот тип охоты опасен для рыбы, и ей было бы полезно покинуть поверхность как можно скорее после поимки добычи. [11]
У взрослых постметаморфических бесхвостых амфибий (лягушек и жаб), не имеющих хвоста, М-клетки, тем не менее, сохраняются [3], и их разряды связаны с быстрым движением ног во время побега. [12] Кроме того, личинки миног (угреобразные бесчелюстные рыбы суперкласса круглоротых) демонстрируют быстрое поведение отдергивания, которое коррелирует с активностью клеток Маутнера и включает двусторонние, зависящие от позы мышечные сокращения по всей длине тела. [13] Личинки миног (аммокойты) являются фильтраторами, которые занимают норы в форме полумесяца в илистом или грязевом дне пресноводных ручьев, причем их рты расположены на поверхности ила или чуть выше. Внезапная вибрация активирует оба нейрона Маутнера в стволе мозга миноги, что вызывает гармошкоподобное мышечное сокращение в туловище и хвосте и тянет голову вниз в нору.
М-клетка имеет два первичных шиповидных (без дендритных шипиков ) дендрита , которые получают отдельные входы из различных частей нервной системы. [1] Один дендрит выступает латерально, а другой выступает либо в вентральном, либо в медиальном направлении, в зависимости от вида. [14]
Вентральный дендрит получает информацию от зрительного покрова [15] и спинного мозга [16], в то время как латеральный дендрит получает входные сигналы от октоволатеральных систем (боковая линия , акустические входные сигналы от внутреннего уха и инерционная информация от статолитов, передаваемая черепным нервом VIII ) [1] .
Волокна от ипсилатерального черепного нерва VIII заканчиваются возбуждающими смешанными электрическими и глутаматергическими синапсами на М-клетке. Они также электрически активируют глицинергические тормозные интернейроны, которые заканчиваются на М-клетках. Несмотря на то, что тормозной вход имеет еще один синапс на своем пути, задержки между возбуждением и торможением нет, поскольку промежуточный синапс является электрическим. Было показано, что для слабых стимулов торможение побеждает возбуждение, предотвращая разряд М-клетки, в то время как для более сильных стимулов возбуждение становится доминирующим. [17] Афференты внутреннего уха также заканчиваются электрическими синапсами на популяции тормозных интернейронов PHP (см. ниже), чтобы обеспечить дополнительный уровень прямого торможения. Клетка Маутнера также имеет ГАМК- , дофамин- , серотонин- и соматостатинэргические входы, каждый из которых ограничен определенной дендритной областью. [1]
Входы от оптического тектума и боковой линии помогают контролировать, в какую сторону изгибается C-стартл, смещая клетки Маутнера, когда поблизости есть препятствия. В случаях, когда движение от стимула блокируется, рыба может изгибаться в сторону помехи. [1] [18]
Аксонный холмик клетки Маутнера окружен плотным образованием нейропиля, называемым колпачком аксона . [2] Высокое сопротивление этого колпачка аксона способствует типичной форме потенциала поля клетки Маутнера (см. ниже). В своей наиболее развитой форме колпачок аксона состоит из ядра, непосредственно прилегающего к аксону клетки Маутнера и содержащего сеть очень тонких немиелинизированных волокон, и периферической части. Эта периферическая часть содержит большие немиелинизированные волокна нейронов PHP (см. ниже), которые опосредуют ингибирующую обратную связь к клетке Маутнера; сама клетка Маутнера также посылает небольшие дендриты от своего аксонного холмика к периферической части колпачка аксона. Наконец, поверхность колпачка аксона покрыта стенкой колпачка, состоящей из нескольких слоев глиальных клеток, подобных астроцитам . Как глиальные клетки, так и немиелинизированные волокна связаны друг с другом посредством щелевых контактов . [19]
Эволюционно колпачок аксона появился позднее, чем сама клетка Маутнера, поэтому некоторые животные, такие как миноги и угри , хотя и имеют функциональные клетки Маутнера, вообще не имеют колпачка аксона, в то время как некоторые другие животные, такие как амфибии и двоякодышащие рыбы , имеют его очень упрощенную версию. [2]
Основная часть сети, связанной с клетками Маутнера, — это 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 срабатывала, она делает это только один раз. Оба эти требования вполне естественны, учитывая, что последствия одного разряда клеток Маутнера настолько сильны; несоблюдение этих двух правил не только не позволит животному сбежать, но и может даже физически повредить его. Самая быстрая часть этой сети отрицательной обратной связи, которая также находится ближе всего к клетке Маутнера, — это так называемый пассивный гиперполяризующий потенциал поля или PHP-нейроны . [1] Волокна этих нейронов расположены в аксонном колпачке, и они получают входные сигналы как от ипсилатеральных , так и от контралатеральных клеток Маутнера. Полевые потенциалы PHP-нейронов являются строго положительными и образуют часть «сигнатурного полевого потенциала» клетки Маутнера (см. ниже), причем ранний (ипсилатерально инициируемый) компонент называется внеклеточным гиперполяризующим потенциалом (EHP), а более поздний (контралатерально инициируемый) компонент иногда рассматривается в литературе как позднее коллатеральное торможение (LCI). [19] Действие PHP-нейронов на клетки Маутнера опосредовано электрическими, а не химическими эффектами: исходящие токи, генерируемые потенциалами действия в волокнах аксонного колпачка, текут внутрь через аксонный холмик клетки Маутнера и гиперполяризуют его. [1]
Единственный аксон клетки Маутнера достигает от клетки до средней линии заднего мозга , быстро пересекает ее на контралатеральную сторону, а затем спускается каудально вдоль спинного мозга . [19] Одиночный разряд М-клетки достигает целого набора параллельных эффектов в спинномозговых двигательных сетях: 1) он моносинаптически возбуждает крупные первичные мотонейроны на одной стороне тела; 2) десинаптически возбуждает более мелкие мотонейроны на той же стороне тела; 3) инициирует потенциалы действия в тормозных интернейронах, электрически связанных с аксоном М-клетки, и с их помощью тормозит а) тормозные интернейроны, все еще находящиеся на той же стороне тела (чтобы не допустить их вмешательства в С-старт), а также б) мотонейроны на другой стороне тела. В результате этой модели активации быстрые мышцы на одной стороне тела сокращаются одновременно, в то время как мышцы на другой стороне тела расслабляются. [20]
Торможение М-клетки клетками PHP происходит посредством эфаптических взаимодействий . Торможение осуществляется без химических синапсов или электрической синаптической связи, имеющей щелевые контакты с низким сопротивлением , соединяющие клетки. Когда область аксона клетки PHP за пределами колпачка аксона деполяризуется, приток положительного заряда в клетку через потенциалзависимые натриевые каналы сопровождается пассивным оттоком тока из аксона клетки PHP в область, ограниченную колпачком аксона. Из-за высокого сопротивления окружающих глиальных клеток заряд не рассеивается, а потенциал на мембране М-клетки увеличивается, гиперполяризуя ее.
Из-за своего размера, наличия быстрой сети обратной связи и обилия электрических и квазиэлектрических ( эфаптических ) синапсов клетка Маутнера имеет сильный полевой потенциал весьма характерной формы. [6] [19] Этот полевой потенциал начинается с высокоамплитудного потенциала, падающего до десятков милливольт по амплитуде, который возникает из-за разряда клетки Маутнера, и за которым сразу следует положительный потенциал, называемый внешним гиперполяризующим потенциалом или EHP, который связан с активностью сети возвратной обратной связи. [1]
Благодаря своей высокой амплитуде, у некоторых животных отрицательная часть потенциала поля клеток Маутнера может быть обнаружена на расстоянии до нескольких сотен микрометров от самой клетки. [6] Положительные компоненты потенциала поля наиболее сильны в колпачке 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 целом препарате мозга, перемещая регистрирующий электрод в заднем мозге , одновременно стимулируя спинной мозг , тем самым вызывая антидромные потенциалы действия в аксоне клетки Маутнера. [19]
Было показано, что применение серотонина увеличивает ингибирующие входы в М-клетку, в то время как применение дофамина – увеличивает амплитуду как химических, так и электрических компонентов ответов VIII-го нерва посредством опосредованной G-белком активации постсинаптического рецептора D2 . [1] Зависимая от активности ДП может быть вызвана в М-клетках высокочастотной стимуляцией VIII-го нерва. Удивительно, но эта ДП опосредована электрическим синапсом и, как предполагается, связана с модификацией каналов щелевого контакта . [1] Также были продемонстрированы возможность индукции ДП сенсорными стимулами in vivo , [1] и доказательства ДП ингибирующих входов в М-клетки [17] .
Спонтанное предпочтение направления поворота у молодых золотых рыбок связано с тем, что одна из клеток Маутнера больше другой. Можно изменить предпочтение рыб, выращивая их в условиях, облегчающих повороты в определенном направлении; этот сдвиг сопровождается соответствующим изменением размеров М-клеток. [21]
Клетка Маутнера была впервые обнаружена венским офтальмологом Людвигом Маутнером у костистых рыб, поскольку она связана с нейронной цепью, которая опосредует реакцию спасения, называемую C-стартом или C- испугом, чтобы направить рыбу подальше от хищника.
M-клетки являются модельной системой в области нейроэтологии . Система M-клеток служила для подробных нейрофизиологических и гистологических исследований синаптической передачи и синаптической пластичности . [1] Исследования Дональда Фабера и Генри Корна помогли установить гипотезу одной везикулы синаптической передачи в ЦНС . Другие важные темы исследований, которые были исследованы в системе M-клеток, включают исследования Ёити Оды и его коллег по ингибиторной долговременной потенциации и слуховому обусловливанию реакции испуга, а также исследования Альберто Переды и его коллег по пластичности электрических синапсов . Другие темы исследований, исследованных в системе M-клеток, включают исследования спинальных нейронных сетей и нейронной регенерации Джо Фетчо и его коллег, а также подводную локализацию звука и биофизику вычислений в отдельных нейронах.