Onderzoekers visualiseren de complexe vertakking van het zenuwstelsel

Newswise – New Haven, Connecticut – Ons zenuwstelsel bestaat uit miljarden neuronen die met elkaar praten via axonen en dendrieten. Naarmate het menselijk brein zich ontwikkelt, vertakken deze structuren zich op een prachtig complexe, maar slecht begrepen manier, waardoor neuronen verbindingen kunnen vormen en berichten door het hele lichaam kunnen sturen. En nu hebben Yale-onderzoekers het moleculaire mechanisme achter de groei van dit complexe systeem ontdekt. Hun bevindingen werden gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang.

“Neuronen zijn sterk vertakte cellen, en dat komt omdat elk neuron communiceert met duizenden andere neuronen,” Joe Howard, Ph.D., de Eugene Higgins hoogleraar moleculaire biofysica en biochemie en hoogleraar natuurkunde en senior auteur van de studie. “We werken aan dit vertakkingsproces – hoe vormen en groeien takken? Dit is wat er achter de hele manier waarop het zenuwstelsel werkt.”

Het team bestudeerde de groei van neuronen in fruitvliegen terwijl ze rijpten van embryo’s tot larven. Om dit proces te visualiseren, markeerden ze neuronen met fluorescerende markers en beeldden ze ze af op een roterende schijfmicroscoop. Omdat zenuwcellen net onder de huid leven [outermost layer]De onderzoekers konden dit proces realtime volgen in levende larven. Na beeldvorming van neuronen in verschillende ontwikkelingsstadia, was het team in staat om time-lapse-films van groei te maken.

In de vroege stadia van ontwikkeling begonnen sensorische neuronen met slechts één of drie dendrieten. Maar in minder dan vijf dagen groeiden ze uit tot grote boomachtige structuren met duizenden takken. Analyse van dendritische tips onthulde hun dynamische en stochastische (willekeurig geselecteerde) groei, die schommelde tussen groei, samentrekking en gepauzeerde toestanden.

“Vóór onze studie was er een theorie dat neuronen zouden kunnen uitzetten en samentrekken als een ballon”, zegt hij. Sonal Shri, Ph.D., een associate research scientist en hoofdauteur van de studie. “En we ontdekten dat nee, ze worden niet opgeblazen als een ballon, maar groeien en vertakken zich.”

“We hebben ontdekt dat we neuronale groei en algehele morfologie volledig kunnen verklaren in termen van wat de celterminals doen”, zegt hij. Sabyasachi Sutradhar, Ph.D., associate research scientist en co-lead auteur van de studie. “Dit betekent dat we ons nu kunnen concentreren op de tips, want als we begrijpen hoe ze werken, kunnen we ook begrijpen hoe de hele vorm van de cel eruitziet”, zegt Howard.

Er is een hele wereld van vertakkingen in de biologie, van de aderen en slagaders van de bloedsomloop tot de bronchiën van de long. Howard’s lab hoopt dat een beter begrip van vertakkingen op cellulair niveau ook licht zal werpen op deze processen op moleculair en weefselniveau.