Во время развития двигательные нейроны в спинном мозге посылают аксоны на соединение с мышцами. Каждый аксон создает избыточное количество веточек, каждая из которых в принципе может иннервировать мышечное волокно посредством нейромышечного соединения (neuromuscular junction (NMJ)). Имеется так много избыточных веточек, что у незрелых животных, окончания аксонов от множественных нейронов собираются толпой у каждого соединения. Но незамедлительно избыток устраняется и каждое NMJ остается только с одним окончанием, это способствует эффективному и тонко настраиваемому соединению между мышцей и головным мозгом.

Три взаимно исключающих механизма были предположены в качестве контроля для этого процесса прореживания: 1) случайное удаление всех кроме одного окончания, 2) заранее предопределенное удаление, базирующееся на факторах, внутренне присущих нейрону и мышце, и 3) конкуренция между окончаниями, при этом победитель усиливает свое соединение, поскольку проигравшие отступают. В данном номере PLoS Biology, Stephen Turney and Jeff Lichtman, использовали изображения in vivo, чтобы показать, что аксоны конкурируют за достижение NMJ, и что будущие победители, которые временно освобождают свою территорию, быстро несут убытки от др., ожидающих своего места.

Авт. изучали трансгенных мышей, чьи аксоны экспрессируют флюоресцентные белки, что делает их легко различимыми. Они изучали шейную мышцу однонедельных детенышей, когда NMJs всё ещё иннервированы множественными веточками и сфокусировались на NMJs, которые всё ещё имели два окончания разных аксонов. Предыдущие исследования показали, что аксоны, чьи окончания занимают самую большую фракцию NMJ на этой стадии обычно остаются в контроле, тогда как те, которые оккупируют меньшую часть в конечном итоге уходят.

Чтобы протестировать способность проигравших иннервировать повторно на этой стадии. они использовали лазер для устранения иннервирующих веточек доминирующих аксонов, что вело к фрагментации окончаний и быстрому исчезновению. Даже если оставшийся аксон первоначально занимал менее 5% в NMJ, в течение 24 ч он испускал новые веточки и занимал действительно всё соединение. Возникшее в результате NMJ выглядело нормальным и идентичным с теми, что создавались во время нормального развития. Даже после того, как аксон полностью уходил из NMJ, он сохранял способность снова врастать в него в течение двух дней.

Эти результаты четко показали, что вытесненные аксоны могут снова создавать NMJs, если победитель повреждается, но что происходит во время нормального развития? Всегда ли аксоны уходят самостоятельно от NMJ, которые они иннервируют, оставляя соединение пригодным для другого аксона? Или они устраняются только с помощью более агрессивного аксона, вторгающегося на эту территорию? Это значительно труднее определить, чем может показаться, благодаря дотошным наблюдениям, авт. установили редкие случаи ухода, освобождения места и повторной иннервации вторым аксоном. Сигналом для роста второго аксона вряд ли была неактивность мышечного волокна (феномен, наблюдаемый при крупномасштабных повреждениях двигательного нейрона), поскольку соединение остается в основном иннервированным. Вместо этого, как они полагают, повторный рост скорее запускается в результате высокого локального сигнала от незанятой порции соединения и улавливается веточками соседнего аксона, которые врастают в незанятую часть. В подтверждение этого механизма они показали, что микроскопическое удаление некоторых окончаний аксона в одном NMJ ведет к повторному разрастанию и повторному росту этого аксона, чтобы заполнить незанятые части NMJ.

Итак, эти результаты показывают, что финальная структура NMJ определяется конкуренцией между аксонами, при этом выталкивание играет ключевую роль в этой конкуренции. Авт. полагают, что наличие контакта между окончаниями аксона и NMJs осуществляется во время развития, при этом индивидуальные веточки окончаний вытесняются случайным образом. Это заставляет др., особенно те, что поблизости, заполнять их место, приводя незамедлительно к тому, что NMJ будет оккупирован окончаниями одного аксона. Происходит ли тот же самый процесс конкуренции в синапсах между нейронами во время развития в ЦНС, остается неясным, но некоторые доказательства указывают на это. Кроме того, такая же конкуренция может также играть роль в синаптической пластичности, лежащей в основе обучения в ходе всей жизни.

Turney SG, Lichtman JW (2012) Reversing the Outcome of Synapse Elimination at Developing Neuromuscular Junctions In Vivo: Evidence for Synaptic Competition and Its Mechanism. doi:10.1371/journal.pbio.1001352