Mauthner-Zelle - Mauthner cell

Die Mauthner - Zellen sind ein paar große und leicht identifizierbaren Neuronen (eine für jede Hälfte des Körpers) in der Lage Rhombomer 4 des Rautenhirns bei Fischen und Amphibien , die sehr schnell für eine verantwortlich sind zu entkommen Reflex (in der Mehrzahl der Tiere - ein sogenannte C-Start-Antwort). Die Zellen zeichnen sich auch durch ihre ungewöhnliche Verwendung sowohl chemischer als auch elektrischer Synapsen aus .

Evolutionsgeschichte

Mauthner Zellen in erscheinen zuerst lampreys (abwesend in hagfish und Lanzettfischchen ), und sind in praktisch allen Teleost Fisch, sowie in Amphibien (einschließlich postmetamorphic Fröschen und Kröten ). Einige Fische, wie beispielsweise Lumpsucker , scheinen jedoch die Mauthner-Zellen verloren zu haben.

Rolle im Verhalten

Der C-Start

Ein C-Start ist eine Art von einem sehr schnellen startle oder Fluchtreflex , der durch verwendet wird Fisch und Amphibien (einschließlich Larven Frösche und Kröten). Beim C-Start gibt es zwei aufeinander folgende Phasen: Erstens dreht sich der Kopf um den Massenschwerpunkt in Richtung der zukünftigen Flucht, und der Körper des Tieres weist eine Krümmung auf, die einem Buchstaben C ähnelt; dann, in der zweiten Stufe, wird das Tier vorwärts getrieben. Die Dauer dieser Stadien variiert von Spezies zu Spezies von etwa 10 bis 20 ms für das erste Stadium und von 20 bis 30 ms für das zweite. Bei Fischen erfordert dieser Vortrieb keine Kontraktion des antagonistischen Muskels , sondern resultiert aus der Körpersteifigkeit und dem hydrodynamischen Widerstand des Schwanzes . Wenn im Stadium 2 eine antagonistische Muskelkontraktion auftritt, dreht sich der Fisch in die entgegengesetzte Richtung, was zu einer Gegendrehung und einer Richtungsänderung führt.

Die Rolle der Mauthner-Zelle im C-Start-Verhalten

In Fällen, in denen ein abrupter akustischer , taktiler oder visueller Reiz ein einzelnes Aktionspotential in einer M-Zelle auslöst, korreliert es immer mit einem kontralateralen C-Start-Escape. Eine extrem schnelle Gegenkopplungs- Hemmschaltung stellt dann sicher, dass nur eine M-Zelle die Spiking-Schwelle erreicht – da der C-Start per Definition einseitig sein muss – und dass nur ein Aktionspotential gezündet wird.

Der Mauthner-Zell-vermittelte C-Start-Reflex ist sehr schnell, mit ca. 5-10 ms Latenz zwischen dem akustischen/taktilen Reiz und der Mauthner-Zell-Entladung und nur ca. 2 ms zwischen der Entladung und der einseitigen Muskelkontraktion. Mauthner-Zellen sind damit die schnellsten Motoneuronen, die auf den Reiz reagieren. Es macht die C-Start-Reaktion verhaltenswichtig, um den Fluchtreflex ganz oder gar nicht auszulösen, während Richtung und Geschwindigkeit der Flucht später durch die Aktivität kleinerer Motoneuronen korrigiert werden können.

In Larven Zebrabärbling etwa ~ 60% der Gesamtbevölkerung von retikulospinalen Neuronen werden auch durch einen Reiz , dass entlockt der M-Spitze und C-Start Flucht aktiviert. Eine gut untersuchte Gruppe dieser retikulospinalen Neuronen sind die bilateral gepaarten M-Zell- Homologe, die als MiD2cm und MiD3cm bezeichnet werden . Diese Neuronen weisen morphologische Ähnlichkeiten mit der M-Zelle auf, einschließlich eines seitlichen und ventralen Dendriten. Sie befinden sich in den Rhombomeren 5 bzw. 6 des Hinterhirns und erhalten parallel zu der M-Zelle vom pVIII . Bei Fischen rufen Wasserstrahlstimuli, die diese Neuronen aktivieren, nicht-Mauthner-initiierte C-Starts mit einer längeren Latenz im Vergleich zu M-Zell-assoziierten Starts hervor.

Obwohl die M-Zelle oft als Prototyp eines Kommandoneurons bei Wirbeltieren angesehen wird , ist diese Bezeichnung möglicherweise nicht vollständig gerechtfertigt. Obwohl eine elektrische Stimulation der M-Zelle ausreicht, um einen C-Start auszulösen, ist dieser C-Start normalerweise schwächer als der durch einen Sinnesreiz hervorgerufene. Darüber hinaus kann der C-Start auch bei abgetragener M-Zelle hervorgerufen werden , obwohl in diesem Fall die Latenz der Reaktion zunimmt. Das am weitesten verbreitete Modell des M-Zell-Systems oder des Hirnstamm-Escape-Netzwerks ist, dass die M-Zelle ein festes Aktionsmuster nach links oder rechts auslöst, indem sie einen spinalen motorischen Schaltkreis aktiviert, der ursprünglich von J. Diamond und Kollegen beschrieben wurde, aber die Die genaue Flugbahn der Flucht wird durch die Populationsaktivität in den anderen Klassen von retikulospinalen Neuronen kodiert, die parallel zur M-Zelle funktionieren. Diese Annahme wird durch Studien untermauert, die bei Zebrafischlarven in vivo Calcium-Bildgebung verwenden, die zeigen, dass MiD2cm und MiD3cm zusammen mit der M-Zelle aktiviert werden, wenn ein störender Stimulus auf den Kopf, aber nicht auf den Schwanz gerichtet ist, und mit C-Starts von korreliert sind einen größeren anfänglichen Drehwinkel.

Eine weitere Komponente der Fluchtreaktion wird durch kraniale Relaisneuronen vermittelt , die durch den Mauthner-Zell-Spike aktiviert werden. Diese Neuronen sind elektrisch mit Motoneuronen gekoppelt, die extraokulare, Kiefer- und operculare Muskeln innervieren und die Brustflossenadduktion bei Beilbauchfischen vermitteln . Diese Komponente des neuronalen Schaltkreises wurde erstmals von Michael VL Bennett und Kollegen beschrieben.

Mauthner-Zellen in anderen Verhaltensweisen

Mauthner-Zellen können an anderen Verhaltensmustern als dem C-Start beteiligt sein, wenn diese Verhaltensweisen auch extrem schnelle Beugebewegungen des Körpers erfordern. So werden bei Goldfischen Mauthner-Zellen beim Beutefang in der Nähe der Wasseroberfläche aktiviert, da diese Art der Jagd für die Fische gefährlich ist und es von Vorteil wäre, die Oberfläche so schnell wie möglich nach dem Beutefang zu verlassen.

Bei erwachsenen postmetamorphen Anuran (Frösche und Kröten), die keinen Schwanz haben, bleiben M-Zellen dennoch erhalten und ihre Ausscheidungen sind mit schnellen Beinbewegungen während einer Flucht verbunden.

Morphologie und Verbindungen

Inputs zur M-Zelle: Anregung und Feed-Forward-Hemmung

Die M-Zelle hat zwei primäre aspiny (fehlende dendritischen Dornen ) Dendriten , die segregierten Eingaben von verschiedenen Teilen des neuralen Systems empfangen. Je nach Art ragt ein Dendrit seitlich und der andere nach ventral oder medial.

Der ventrale Dendriten erhält Informationen vom Optiktectum und vom Rückenmark, während der seitliche Dendriten Inputs von den Octovolateralis-Systemen erhält (die Seitenlinie , akustische Inputs vom Innenohr und Trägheitsinformationen von den Statolithen, die vom Hirnnerv VIII gebracht werden ).

Die Fasern des ipsilateralen Hirnnervs VIII enden in exzitatorischen gemischten elektrischen und glutamatergen Synapsen auf der M-Zelle. Sie aktivieren auch elektrisch glycinerge hemmende Interneurone, die auf den M-Zellen enden. Obwohl der hemmende Input eine weitere Synapse in seinem Weg hat, gibt es keine Verzögerung zwischen der Erregung und der Hemmung, da die dazwischenliegende Synapse elektrisch ist. Es zeigte sich, dass bei schwachen Reizen die Hemmung die Erregung überwiegt und die M-Zelle an einer Entladung hindert, während bei stärkeren Reizen die Erregung dominant wird. Die Afferenzen des Innenohrs enden auch mit elektrischen Synapsen auf einer Population von PHP-hemmenden Interneuronen (siehe unten), um ein zusätzliches Maß an Feed-Forward-Hemmung bereitzustellen. Die Mauthner-Zelle hat auch GABA- , Dopamin- , Serotonin- und somatostatinerge Inputs, die jeweils auf eine bestimmte dendritische Region beschränkt sind.

Eingaben vom optischen Tektum und der Seitenlinie helfen zu steuern, in welche Richtung sich der C-Startle biegt, indem die Mauthner-Zellen vorgespannt werden, wenn sich Hindernisse in der Nähe befinden. In Fällen, in denen die Bewegung vom Reiz weg blockiert wird, kann sich der Fisch in Richtung der Störung beugen.

Axon-Kappe

Der Axonhügel der Mauthner-Zelle ist von einer dichten Formation von Neuropil umgeben, die Axonkappe genannt wird . Der hohe Widerstand dieser Axonkappe trägt zur typischen Form des Mauthner-Zellen-Feldpotentials bei (siehe unten). In ihrer fortgeschrittensten Form besteht die Axonkappe aus einem Kern, der unmittelbar an das Axon der Mauthner-Zelle angrenzt und ein Netzwerk von sehr dünnen, nicht myelinisierten Fasern enthält, und einem peripheren Teil. Dieser periphere Teil enthält die großen unmyelinisierten Fasern der PHP-Neuronen (siehe unten), die die hemmende Rückkopplung an die Mauthner-Zelle vermitteln; auch die Mauthner-Zelle selbst schickt kleine Dendriten von ihrem Axonhügel zum peripheren Teil der Axonkappe. Schließlich wird die Oberfläche der Axon Kappe mit einer überdachten Kappenwand besteht aus mehreren Schichten von Astrozyten -ähnlichen glial - Zellen. Sowohl Gliazellen als auch die nicht myelinisierten Fasern sind über Gap Junctions miteinander gekoppelt .

Evolutionär gesehen ist die Axonkappe eine neuere Entwicklung als die Mauthner-Zelle selbst, so dass einige Tiere wie Neunaugen und Aale , obwohl sie funktionelle Mauthner-Zellen haben, überhaupt keine Axonkappe haben, während andere Tiere wie Amphibien und lungfish , haben eine sehr vereinfachte Version davon.

Feedback-Netzwerk

Der Hauptteil des Mauthner-Zellen-assoziierten Netzwerks ist das negative Rückkopplungsnetzwerk , das sicherstellt, dass nur eine der beiden Mauthner-Zellen als Reaktion auf den Stimulus feuert und dass, welche Mauthner-Zelle auch immer feuert, dies nur einmal tut. Diese beiden Anforderungen sind ganz natürlich, wenn man bedenkt, dass die Folgen einer einzelnen Mauthner-Zellentladung so stark sind; eine Nichtbeachtung dieser beiden Regeln würde das Tier nicht nur an der Flucht hindern, sondern es sogar körperlich schädigen. Der schnellste Teil dieses negativen Rückkopplungsnetzwerks, das auch der Mauthner-Zelle am nächsten liegt, sind die sogenannten passiven hyperpolarisierenden Feldpotentiale oder PHP-Neuronen . Die Fasern dieser Neuronen befinden sich in der Axonkappe und erhalten Inputs sowohl von ipsilateralen als auch von kontralateralen Mauthner-Zellen. Die Feldpotentiale von PHP-Neuronen sind stark positiv und bilden einen Teil des „Signatur-Feldpotentials“ der Mauthner-Zelle (siehe unten), wobei die frühe (ipsilateral initiierte) Komponente als extrazelluläres hyperpolarisierendes Potential (EHP) bezeichnet wird spätere (kontralateral initiierte) Komponente wird in der Literatur manchmal als Late Collateral Inhibition (LCI) bezeichnet. Die Wirkung von PHP-Neuronen auf die Mauthner-Zellen wird durch elektrische und nicht durch chemische Effekte vermittelt: Die durch die Aktionspotentiale in den Axonkappenfasern erzeugten Auswärtsströme fließen nach innen über den Axonhügel der Mauthner-Zellen und hyperpolarisieren ihn.

Ausgänge

Das einzige Axon der Mauthner-Zelle reicht von der Zelle bis zur Mittellinie des Hinterhirns , überquert diese sofort zur kontralateralen Seite und steigt dann kaudal entlang des Rückenmarks ab . Eine einzelne Entladung der M-Zelle erzielt eine ganze Reihe paralleler Effekte auf die spinalen motorischen Netzwerke: 1) sie erregt monosynaptisch große primäre Motoneuronen auf einer Körperseite; 2) erregt desinaptisch kleinere Motoneuronen auf derselben Körperseite; 3) initiiert Aktionspotentiale in inhibitorischen Interneuronen, die elektrisch an das M-Zell-Axon gekoppelt sind, und hemmt dadurch a) inhibitorische Interneurone, die sich noch auf derselben Körperseite befinden (um zu verhindern, dass sie den C-Start stören), sowie b) Motoneuronen auf der anderen Körperseite. Durch dieses Aktivierungsmuster ziehen sich die schnellen Muskeln einer Körperseite gleichzeitig zusammen, während sich die Muskeln der anderen Körperseite entspannen.

Elektrophysiologie

Ephptische Eigenschaften

Ephaptische Hemmung an der Mauthner-Axonkappe durch PHP-Zellen

Die Hemmung der M-Zelle durch die PHP-Zellen erfolgt durch ephaptische Interaktionen . Die Hemmung wird ohne chemische Synapsen oder elektrische synaptische Kopplung mit Gap Junctions mit niedrigem Widerstand bewirkt, die die Zellen verbinden. Wenn die Region des PHP-Zell-Axons außerhalb der Axonkappe depolarisiert, wird der Zufluss positiver Ladung in die Zelle durch spannungsgesteuerte Natriumkanäle von einem passiven Stromabfluss aus dem PHP-Zell-Axon in die von der Axonkappe begrenzte Region begleitet. Aufgrund des hohen Widerstands der umgebenden Gliazellen wird die Ladung nicht abgeleitet und das Potenzial an der M-Zellmembran wird erhöht, wodurch diese hyperpolarisiert wird.

Signaturfeldpotential

Aufgrund ihrer Größe, des Vorhandenseins eines schnellen Rückkopplungsnetzwerks und der Fülle an elektrischen und quasi-elektrischen ( ephaptischen ) Synapsen hat die Mauthner-Zelle ein starkes Feldpotential von sehr charakteristischer Form. Dieses Feldpotential beginnt mit einer Potentialsenke hoher Amplitude mit einer Amplitude von bis zu mehreren zehn Millivolt , die von der Mauthner- Zellentladung herrührt und dicht gefolgt von einem positiven Potential, genannt Extrinsic Hyperpolarizing Potential oder EHP, das mit der Aktivität von das wiederkehrende Feedback-Netzwerk.

Aufgrund seiner hohen Amplitude kann bei manchen Tieren der negative Teil des Mauthner-Zellfeldpotentials bis zu mehreren hundert Mikrometern von der Zelle selbst entfernt nachgewiesen werden. Die positiven Komponenten des Feldpotentials sind in der Axonkappe am stärksten und erreichen bei erwachsenen Goldfischen Amplituden von 45 mV. Mit Kenntnis dieser Eigenschaften des Feldpotentials ist es möglich, das Feldpotentialmonitoring zu verwenden, um den Mauthner-Zellkörper in vivo oder in vitro in einem Ganzhirnpräparat zu finden, indem die Aufzeichnungselektrode im Hinterhirn bewegt wird , während bei stimuliert gleichzeitig das Rückenmark und ruft so antidrome Aktionspotentiale im Axon der Mauthner-Zelle hervor.

Plastizität

Es wurde gezeigt, dass die Anwendung von Serotonin die inhibitorischen Eingänge in die M-Zelle erhöht, während die Anwendung von Dopamin die Amplitude sowohl der chemischen als auch der elektrischen Komponenten der VIII. Nervenantwort über eine G-Protein- vermittelte Aktivierung des postsynaptischen D2-Rezeptors erhöht . Eine aktivitätsabhängige LTP kann in M-Zellen durch eine hochfrequente Stimulation des VIII. Nervs hervorgerufen werden. Überraschenderweise wird diese LTP durch elektrische Synapsen vermittelt und es wird angenommen, dass sie eine Modifikation der Gap-Junction- Kanäle beinhaltet. Eine Möglichkeit der LTP-Induktion durch sensorische Stimuli in vivo und der Beweis für die LTP von inhibitorischen Eingaben in M-Zellen wurden ebenfalls gezeigt.

Die spontane Bevorzugung der Windungsrichtung bei jungen Goldfischen korreliert damit, dass eine der Mauthner-Zellen größer ist als die andere. Es ist möglich, die Vorliebe von Fischen zu ändern, indem sie unter Bedingungen aufgezogen werden, die das Wenden in eine bestimmte Richtung erleichtern; diese Verschiebung wird von einer entsprechenden Änderung der M-Zellen-Größen begleitet.

Geschichte der Forschung

Die Mauthner Zelle wurde zuerst von der Wieneren Ophthalmologen identifiziert Ludwig Mauthner in dem Teleost Fisch für seinen zugehörigen neuralen Schaltkreis , der eine Fluchtreaktion vermittelt so genannte C-C- oder starten startle den Fisch weg von einem Raubtiere zu lenken.

Die M-Zelle ist ein Modellsystem im Bereich der Neuroethologie . Das M-Zell-System diente für detaillierte neurophysiologische und histologische Untersuchungen der synaptischen Transmission und synaptischen Plastizität . Studien von Donald Faber und Henri Korn trugen dazu bei, die Ein- Vesikel- Hypothese der synaptischen Übertragung im ZNS zu etablieren . Weitere wichtige Forschungsthemen, die im M-Zell-System untersucht wurden, sind Studien von Yoichi Oda und Kollegen zur inhibitorischen Langzeitpotenzierung und auditiven Konditionierung der Schreckreaktion sowie Studien von Alberto Pereda und Kollegen zur Plastizität elektrischer Synapsen . Andere Forschungsthemen untersucht in der M-Zellsystem umfassen Studien von spinalen Neuronale Netze und neuronale Regeneration durch Joe Fetcho und Kollegen, sowie Unterwasserschallortung und der Biophysik der Berechnung in einzelnen Neuronen.

Verweise

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