Aksonu vadība: kā nervu šķiedras atrod ceļu

Auguma konuss ir aksona gals, kas paplašinās plaukstas formā. Tā centrālajā daļā ir mikrocaurulītes, kas veido šķiedras skeletu, bet malā ir blīvs aktīna tīkls, kas nepārtraukti pārkārtojas. No tā izaug divu veidu izaugas: plānās filopodijas un plakanās lamelipodijas.

Ja filopodija saskaras ar pievelkošu signālu, tās pusē aktīna tīkls stabilizējas, mikrocaurulītes ieaug šajā virzienā un viss konuss pagriežas turp. Ja signāls ir atgrūdošs, aktīns attiecīgajā pusē sabrūk, izauga saraujas un konuss pagriežas prom. Tādējādi pagrieziens ir nevis „lēmums", bet gan citoskeleta līdzsvara maiņa.

Vadības signālus iedala pēc tā, vai tie darbojas no attāluma (izšķīstošas vielas, kas veido koncentrācijas gradientu) vai tikai pieskaroties (molekulas, kas nostiprinātas šūnu virsmā vai starpšūnu vielā), un pēc tā, vai tie pievelk vai atgrūž. Vēsturiski izdala četras klasiskās saimes.

Muguras smadzenēs daļai aksonu jāpārvietojas uz pretējo pusi. Tos pievelk viduslīnijas šūnu grupa, kas izdala netrīnu. Kad aksons ir sasniedzis viduslīniju un to šķērsojis, tam vairs nedrīkst rasties kārdinājums griezties atpakaļ.

Risinājums ir eleganti vienkāršs: šķērsošanas brīdī uz aksona virsmas parādās receptori, kas padara to jutīgu pret viduslīnijas atgrūdošajiem slītiem, un vienlaikus samazinās jutība pret pievelkošo netrīnu. No pievilkšanas uz atgrūšanu pārslēdzas pats aksons, nevis mainās vide.

Ja šis pārslēgs nedarbojas, sekas ir redzamas cilvēkam. Ir aprakstīts iedzimts sindroms, kurā traucēta viduslīnijas šķērsošana smadzeņu stumbrā: cilvēks nespēj kustināt acis uz sāniem, un vienlaikus attīstās progresējoša mugurkaula izliekšanās.

Viena no būtiskākajām atziņām šajā jomā ir tā, ka signāla nozīme nav ierakstīta pašā molekulā. To nosaka saņēmējs. Tas pats netrīns pievelk aksonu, uz kura ir DCC receptors, bet atgrūž to, uz kura papildus ir arī UNC5 receptors.

Turklāt atbildi maina aksona iekšējais stāvoklis: cikliskā adenozīnmonofosfāta un cikliskā guanozīnmonofosfāta līmeņa attiecība spēj pagriezt reakciju pretējā virzienā, nemainot nevienu molekulu ārpusē. Tas nozīmē, ka viena un tā pati ķīmiskā vide dažādiem aksoniem vienlaikus dod dažādus norādījumus.

• Receptoru sastāvs uz konusa virsmas nosaka, vai signāls ir pievelkošs.
• Šūnas iekšējais signālu līmenis var reakciju apvērst pretēji.
• Starpšūnu vielas molekulas var signālu koncentrēt vai neitralizēt.
• Blakus augošie aksoni paši kalpo par ceļu vēlākajiem, kas aug pa tiem kā pa sliedēm.

Neviens aksons nesaskata savu galamērķi no sākuma. Ceļu sadala posmos ar starpmērķiem, un katrs starpmērķis, sasniegts, pārstāj būt pievilcīgs un kļūst par nākamā posma sākumpunktu. Tas ļauj ar nelielu signālvielu skaitu izveidot ārkārtīgi sarežģītu savienojumu tīklu.

1. Neirona ķermenis nonāk savā vietā un izlaiž vienu šķiedru.
2. Auguma konuss pēc plaša gradienta izvēlas pamatvirzienu.
3. Aksons sasniedz pirmo starpstaciju un tur maina savu receptoru komplektu.
4. Tas turpina ceļu, bieži līdzās jau izveidotai šķiedru kūlīšu trasei.
5. Mērķa audos konuss sadalās zaros un izvēlas konkrētas šūnas.
6. Veidojas sinapses; liekās un nepareizās saites vēlāk tiek atmestas.

Acī tīklenes šūnām jāizveido sakārtots attēls smadzeņu redzes centrā, tā lai blakus esošās tīklenes vietas projicētos blakus arī smadzenēs. To nodrošina divi savstarpēji pretēji efrīnu un Eph receptoru gradienti, kas krustojas kā koordinātu asis.

Katrs aksons apstājas tur, kur tā receptoru daudzums un vides signāla stiprums līdzsvarojas. Rezultātā rodas precīza topogrāfiska karte bez tā, ka kādam būtu jānosaka katras atsevišķas šķiedras adrese.

Vadības gēnu bojājumi neizraisa vispārēju atpalicību, bet gan ļoti konkrētus, bieži pēc izskata neparastus simptomus. Tieši šī specifika padara tos atpazīstamus klīnikā.

Ar šīm diagnozēm nodarbojas bērnu neirologs un medicīnas ģenētiķis, bieži kopā ar oftalmologu vai ortopēdu atkarībā no izpausmēm. Pieaugušajiem ar iedzimtām acu kustību novirzēm izmeklēšanu parasti sāk neirooftalmologs.

• Iedzimti acu kustību traucējumi, kad nervs izaudzis nepareizā acs muskulī.
• Spoguļkustības, kad vienas rokas kustība neviļus atkārtojas otrā, saistītas ar viduslīnijas ceļu attīstības traucējumiem.
• Corpus callosum jeb abas smadzeņu puslodes savienojošā pluta neizveidošanās, kad aksoni nešķērso viduslīniju.
• Kalmana sindroms, kurā vienlaikus traucēta ožas nervu ieaugšana un dzimumhormonus regulējošo šūnu pārvietošanās, tāpēc kopā ir ožas trūkums un neiestājusies pubertāte.

Perifēro nervu pārgriešanas gadījumā Švāna šūnas sakārtojas rindās un izveido kanālus, pa kuriem aksons var ataugt. Šis process ir lēns, un atjaunošanās kvalitāte ir atkarīga no tā, vai nerva apvalki ir palikuši nepārtraukti un vai gali ir savietoti operācijas laikā.

Centrālajā nervu sistēmā situācija ir pretēja. Mielīna apvalka olbaltumvielas darbojas kā spēcīgi atgrūdoši signāli, bojājuma vietā izveidojas glia rēta ar molekulām, kas bremzē auguma konusu, un pieaugušam neironam trūkst tās gēnu programmas, kas bija ieslēgta attīstības laikā. Tāpēc muguras smadzeņu bojājums nepāriet pats no sevis.

Nervu sistēma veidojas nevis ar precīzu būvi, bet ar pārprodukciju un pēc tam atlasi. Sākumā izaug vairāk šķiedru un vairāk savienojumu, nekā vajadzīgs, un tie, kas nesaņem pietiekamu atbalstu no mērķa šūnas vai netiek izmantoti, tiek likvidēti. Aksonu vadība tātad nodrošina tikai aptuveno karti, bet galīgo precizitāti panāk darbība un pieredze.

Otrs mazāk pieminēts fakts ir tas, ka tās pašas molekulas, kas vada aksonus, organismā tiek izmantotas atkārtoti pavisam citām vajadzībām. Tās piedalās asinsvadu augšanas virzienā, imūnšūnu pārvietošanā un arī audzēju šūnu izplatībā. Tieši tāpēc vadības signālu izpēte ir kļuvusi interesanta ne tikai neirologiem, bet arī onkologiem.