В нервной системе сенсорная информация, воспринимаемая с помощью периферической нервной системы, пространственно представлена в головном мозге. В зрительной системе зрительная информация, воспринимая и перерабатываемая в сетчатке, пространственно представлена в tectum (или нго эквиваленте у млекопитающих, superior colliculus), поддерживая относительный пространственный порядок сетчатки (известна как retinotopy). Сходная карта известна для соматосенсорной системы (известна как somatotopy). Напр., в первичном соматосенсорном кортексе каждая часть тела пространственно формированием "кортикального гомункулюса". Непространственная сенсорная информация также представлена с помощью пространственных карт в головном мозге. Слуховая информация воспринимается улиткой внутреннего уха, где волосковые клетки располагаются в соответствии с воспринимаемыми частотами звуков. Как результат может быть сформирована топографическая проекция от улитки, тонотопическая карта, которая представлена частотами стимулов. Все эти карты известны как топографические карты, где взаимоотношения между ближайшими соседями в периферическом сенсорном органе поддерживаются в виде карты. Обонятельная информация воспринимается приблизительно 1000 типами обонятельных сенсорных нейронов (olfactory sensory neurons (OSNs)) и каждый из этих нейронов экспрессирует только один тип обонятельного рецептора (odorant receptor (OR)) из репертуара приблизительно в 1000 OR генов. Обонятельные сенсорные нейроны, экспрессирующие данный тип OR разбросаны по всему обонятельному эпителию. Однако их аксоны конвергируют в специфические пары гломерул в специфических положениях в обонятельных луковицах (Fig. 1). Как результат паттерн активации OR представлен пространственно в обонятельных луковицах (reviewed by Mori et al. 2006). Хотя обонятельная карта не является классического типа непрерывной топографической картой, она также обозначается как топографическая карта из-за того, что карта стеретипирована и топична в отношении рецепторов (receptor-topic).

Сенсорные карты очаровали многих нейробиологов, которые изучали молекулярные основы прокладки аксонов нейронов. В частности зрительная карта активно исследовалась более полстолетия и теперь считается, что карта топографически устанавливается с помощью химических градиентов (reviewed by Huberman et al. 2008; Feldheim & O'Leary, 2010). Однако точный механизм, используемый аксонами для интерпретации химического градиента всё ещё остается спорным. Недавние исследования формирования обонятельной карты представили носую концепцию формирования нейрональных карт: взаимодействия между аксонами. Здесь мы обсудим, как сенсорные карты формируются, используя градированные химические сигналы в обонятельной системе мышей. Нервная активность является др. важным механизмом в формировании нейральных кар (Huberman et al. 2008); однако, это не будет здесь рассматриваться. см. Imai et al. (2010). Более общие роли взаимодействий между аксонами обсуждаются у Imai & Sakano (2011).

Purpose of neural maps

Почему наш головной мозг использует нейральные карты для сенсорного восприятия? Одной из возможных причин нейральных карт является необходимость в функциональной классификации исходящих путей. У рыб и млекопитающих разные части tectum (или superior colliculus) тесно связаны с разными наборами рефлекторных моторных нервных дуг (circuits) (Herrero et al. 1999; reviewed by Dean et al. 1989). Соматосенсорная карта также, как известно, связана с моторными circuits (Matyas et al. 2010; Mao et al. 2011). В обонятельной системе мыши только дорсальная часть обонятельной луковицы обеспечивает врожденное защитное поведение в отношении угрожающего запаха хищника, хотя вентральная часть луковицы ткже может ощущать и различать те же самые запахи (Kobayakawa et al. 2007). Предполагается, что в этих случаях активация специфических гломерул ведет к специфическому поведению.

Второй причиной нейрональных карт является то, что они могут быть пригодны для преобразования информации, особенно путем паттерна экстракции и обострения, базирующегося на латеральном ингибировании. Напр., ингибирующая петля (circuit), как полагают, помогает генерации избирательной ориентации в первичной визуальной коре (Bock et al. 2011; reviewed by Shapley et al. 2003). Сходным образом обонятельные луковицы не просто станции передачи; ингибирующие circuits луковиц, как полагают, обостряют обонятельную реакцию (reviewed by Wilson & Mainen 2006; Murthy 2011). Т.о., сенсорные карты могут быть построены так, чтобы латеральное ингибирование было наиболее эффективным. Геометрия дендритов также может играть важную роль в преобразовании информации (reviewed by Branco & Hausser, 2010).

В обонятельной системе нейральный карты делают возможным конвергенцию общих сенсорных импульсов, увеличивая чувствительность и соотношение сигнала относительно шумов (т.e., соотношение частот пиков во время восприятия запаха и покоя). У мышей приблизительно 1000 OSNs, экспрессирующих один и тот же тип OR конвергируют свои аксоны в одиночную гломерулу. Поскольку уровень шумов является квадратным корнем n, то простые подсчеты соотношения сигнала к шуму на уровне гломерулы будет приблизительно в 30 (=10001/2)-раз выше, чем в одиночном OSN, это делает возможным чувствительное восприятие запаха.

Организация нейральных карт может быть также рассмотрена в контексте стратегии прокладки связей и цены такой прокладки (reviewed by Chklovskii & Koulakov 2004). Предположим измененную карту, в которой позиции нейронов картированы случайно, но вся диаграмма соединений сохраняется. Такой измененный circuit может обладать сходной функцией как и исходный до определенной степени. Однако в этой измененной карте будет значительно труднее устанавливать и поддерживать правильные соединения. Общая длина аксонов и дендритов д. быть значительно больше и больше молекул наведения будет необходимо для правильного становлении той же самой диаграммы соединений. В реальности чрезвычайно большие количества соединений в нейральных картах устанавливаются неожиданно небольшим количеством градированных молекул наведения. Т.о., компоновка карт нейральных circuits может делать более экономной стратегию прокладки связей. Принцип экономии прокладки связей хорошо объясняет помещение нейронов в зрительной пластинке Drosophila (Rivera-Alba et al. 2011).

Axon-target interactions in the visual map formation

Ретинотектальные проекции являются классической моделью формирования нейральных карт. В ретинотектальной системе клетки ретинальных ганглиев в сетчатке проецируют аксоны топографическим способом, так, что назально-темпоральный (передне-задний) и дорсально-вентральный порядки в сетчатке сохраняются и в тектуме вдоль задне-передней и вентрально-дорсальной осей, соотв. Sperry (1963) осуществляли эксперименты по ротации глаз и серию регенерационных экспериментов и предположили, что аксоны наводятся с помощью химических сигналов или в мишени или вдоль пути, это известно как "chemoaffinity hypothesis". Sperry постулировал, что градированные химические сигналы существуют вдоль двух осей на мишени и предположил, что комплементарные градиенты рецепторов на аксонах д. быть использованы для интерпретации этой информации. Хотя Sperry предположил механизм совпадения "lock-and-key" между аксонами и мишенями, позднее было установлено, что отталкивание скорее, чем привлечение и адгезия, являются первичным (хотя не единственным) механизмом. Напр., in vitro метод наведения аксонов (stripe assay), височные аксоны были подвержены действию репелента из задней мембраны тектума и росли в направлении передней мембраны (Walter et al. 1987). Дальнейшие исследования установили, что это взаимодействие обеспечивается лигандом ephrin-A в тектуме и рецептором Eph-A в ретинальных аксонах (Drescher et al. 1995; Cheng et al. 1995). Однако теоретические исследования подтвердили, что один только отталкивающий механизм не может сформировать карту поскольку все аксоны д. оттакливаться к крайнему концу карты (Gierer 1983). В качестве противовеса были предположены привлечение (McLaughlin et al. 2003; Schmitt et al. 2006) и адгезия (Hansen et al. 2004).

По теории комбинация отталкивающих и привлекающих/адгезивных механизмов между аксонами и мишенями могут объяснить точный механизм формирования карты. Однако эта модель не может объяснить некоторые наблюдения, указывающие на то, что относительные скорее, чем абсолютные уровни экспрессии рецепторов наведения предопределяют места проекции аксонов. Устранение половины тектума приводит к сжатию визуальной карты в оставшейся половине тектума (Yoon 1976; Finlay et al. 1979). Напротив, если удаляется половина сетчатки, то оставшиеся ретинальные аксоны расширяются, чтобы заполнить всю область тектума (Yoon 1977). Такая пластичность наблюдается естественным образом во время развития рыб: т.к. количество клеток ретинальных ганглиев увеличивается во время развития, область проекции уменьшается, чтобы оказаться сравнимой с ограниченным размером тектума (Gaze et al. 1974; Easter & Stuermer 1984). Недавно было показано, что избыточная экспрессия рецептора EphA3 в мозаичной популяции клеток ретинальных ганглиев приводит к дупликации зрительных карт в superior colliculus; одна происходит из оригинальных уровней EphA, а др. из повышенных уровней EphA (Brown et al. 2000). Т.о., относительные, но не абсолютные уровни экспрессии рецепторов наведения предопределяют места аксональных проекций (Reber et al. 2004). Когда количество клеток ретинальных ганглиев драматически редуцировалось с использованием Math5 мутантных мышей, то большинство ретинальных аксонов заканчивалось в наиболее передних superior colliculus, скорее, чем заполняло всю мишень (Triplett et al., 2011). Базируясь на этих наблюдениях, была предположена конкуренция аксонов, хотя лежащий в основе молекулярный механизм остается неизвестным. Детальная история нашего понимания формирования визуальных карт была изложена Holt & Harris (1993) и Flanagan & Vanderhaeghen (1998) и в более недавних обзорах Huberman et al. (2008) and Feldheim & O'Leary (2010).

Olfactory map formation by axon sorting

По сравнению с визуальными картами исследования обонятельных карт имеют довольно короткую историю. Организация запах-специфической карты была предположена в электрофизиологических исследованиях (Mori et al. 1992) и получила больше доказательств после молекулярного клонирования и последующего гистологического анализа ORs (Buck & Axel 1991; Ressler et al. 1994; Vassar et al. 1994). Генетическое мечение OR генов четко продемонстрировало, что OSNs, экспрессирующие один и тот же тип OR конвергируют свои аксоны в пары гломерул в стереотипичных местах обонятельной луковицы (Mombaerts et al. 1996).

Трансгенные эксперименты с использованием промоторов OR генов также внесли вклад в наше понимание формирования обонятельных карт (Fig. 1). Первая информация о механизмах формирования обонятельных карт получена на примере, что OR белки влияют на процесс наведения аксонов: когда OR кодирующая последовательность была заменена на др. OR, то места аксональных проекций сдвигались вдоль передне-задней оси обонятельной луковицы (Mombaerts et al. 1996; Wang et al. 1998). Базируясь на тщательном мутагенезе ORs in vivo, Feinstein & Mombaerts (2004) предложили контекстуальную модель, согласно которой карта формируется, базируясь на сортинге специфичных для OR типа гомотипичных аксонов.

Хотя первоначально верили, что OR белки могут функционировать в качестве молекул наведения аксонов и адгезии, последние исследования продемонстрировали, что OR белки косвенно регулируют наведение аксонов посредством cAMP сигнального пути (Imai et al. 2006). В этом исследовании было предположено, что каждый OR генерирует уникальный уровень cAMP сигналов и что уровни происходящих из OR cAMP сигналов детерминируют передне-заднюю ось карты (reviewed by Imai & Sakano 2007). cAMP сигналы транскрипционно регулируют рецептор наведения аксонов, Neuropilin-1 (Nrp1), позитивным образом. Аксоны с высоким содержанием Nrp1 проецируются в заднюю область обонятельной луковицы. Т.о., логика формирования обонятельной карты сходна с таковой как в зрительной системе, где уровень экспрессии рецептора наведения предопределяет грубое нацеливание аксонов. Единственным отличием является транскрипционная регуляция молекул наведения аксонов: в зрительной системе уровни экспрессии детерминируются, базируясь на позициях нейронов в сетчатке. Однако в обонятельной системе уровень экспрессии Nrp1 предопределяется с помощью уровня внутриклеточного cAMP.

Когда Nrp1 избыточно экспрессировался в обонятельных сенсорных нейронах, экспрессирующих трансгенный OR-I7, то все OR-I7-позитивные нейроны конвергировали к более задним гломерулам по сравнению с контролем. Напротив, когда Nrp1 подвергался зависимому от условий нокауту в трансгенных OR-I7-экспрессирующих OSNs, то трансгенные OR-I7 OSNs сводили воедино свои аксоны в более передних ломерулах относительно контроля. Т.о., Nrp1 детерминирует передне-заднюю ось зависимым от дозы способом. Однако странно, когда Nrp1 подвергался нокауту во всех OSNs, включая OR-I7 OSNs, то OR-I7 OSNs проецировались диффузно во множественные гломерулы вдоль A-P оси обонятельной луковицы (Fig. 2). Если абсолютные уровни Nrp1 предопределяют позиционирование в гломерулах, то все гломерулы должны формироваться в передней части обонятельной луковицы при OSN-специфическом нокауте и результат для OR-I7 OSNs д. быть тот же самый между OR-I7-специфическим нокаутом и OSN-специфическим нокаутом. Т.о., относительные, не абсолютные, уровни экспрессии Nrp1 предопределяют места проекций аксонов, которые сходны с таковыми для EphA рецептора в зрительной системе. Как же относительные уровни Nrp1 предопределяют передне-заднее расположение гломерул для проекций аксонов OSNs?

Было показано, что OSN аксоны, которые проецируются в разные места предназначения предварительно сортируются внутри пучков аксонов (Satoda et al. 1995). Аксоны с высоким содержанием Nrp1, которые проецируются в заднюю часть обонятельной луковицы и аксоны с низким уровнем Nrp1, которые проецируются в переднюю часть обонятельной луковицы предварительно сортируются в пучки. Сортировка аксонов происходит у Gli3 мутантных мышей, у которых обонятельные луковицы полностью отсутствуют. У Gli3 мутантов, OSN аксоны оказывались расположенными к краниальной полости, обнаруживая спереди низкий и сзади высокий градиент Nrp1, это подтверждает мнение, что передне-задняя карта может быть сформирована, по крайней мере, частично без участия взаимодействий аксон-мишень. Было установлено, что сортировка до попадания в мишень кпереди- и кзади-направляемых аксонов частично регулируется с помощью отталкивающих взаимодействий между аксонами: Semaphorin-3A (Sema3A), который экспрессируется нацеленными кпереди аксонами, отталкивает нацеленные кзади аксоны, экспрессирующие Nrp1, тем самым происходит сегрегация этих гетеротипических аксонов (Imai et al. 2009). OSN-специфический нокаут Sema3A вызывает альтерации сортировки аксонов и формирования обонятельной карты.

Однако только с механизмом сортировки аксонов карта может легко ротировать. Как же предварительно отсортированные аксоны выстраиваются вдоль передне-задней оси обонятельной луковицы воспроизводимым способом? Такое расположение, по-видимому, нуждается в сигналах, происходящих от мишеней и промежуточных мишеней; Sema3A временно экспрессируется во время эмбриональных стадий в передней части обонятельной луковицы и вдоль пути. Фактически тотальный нокаут Sema3A вызывает наиболее тяжелое фенотипическое отклонение, чем OSN-специфический нокаут (Schwarting et al. 2000; Imai et al. 2009). Как упоминалось выше, мишень не предоставляет "positional cue", который бы детерминировал абсолютное положение аксонов. Градиент в мишени скорее всего функционирует как "направляющий сигнал", который детерминирует ось карты. Места аксональных проекций предопределяются на базе относительных уровней экспрессии молекул наведения, которые экспрессируются аксонами, т.e., Nrp1 и Sema3A для передне-заднего направления OSNs. Сходная стратегия используется для дорсально-вентрального наведения OSNs; Nrp2 и Sema3F экспрессируются OSN аксонами, чтобы детерминировать дорсо-вентральную карту в обонятельной луковице (Takeuchi et al. 2010).

Axon-axon interactions in the visual map formation?

Сортировка аксонов до достижения мишени была также описана для зрительной системы, в частности у рыб и амфибий (Sperry 1963; Scholes 1979; Plas et al., 2005). Хотя сортировка аксонов (взаимодействия между волокнами) предполагается в качестве одного из возможных механизмов формирования визуальной карты (Scholes 1979), некоторые более поздние исследования свидетельствуют в пользу модели аксон-мишень (reviewed by Holt & Harris 1993). Сортировка аксонов в пучки до достижения мишени имеет меньше доказательств у кур и мышей (Plas et al., 2005; reviewed by Feldheim & O'Leary, 2010). У этих организмов места финальных проекций предопределяются ремоделированием веточек аксонов скорее, чем процессом направленного наведения в пучек аксонов. Более того, в экспериментах по регенерации у тритонов (Fujisawa 1981), и в экспериментах с гетерохроническими проекциями у Xenopus (Holt 1984), ретинальные аксоны достигали правильной области мишени даже когда путь пучка аксонов отличался от оригинального паттерна. Исходя из этих наблюдений, широко принимается, что только мишень предоставляет позиционную информацию. Однако модель сортировки аксонов также может объяснить представленные выше наблюдения: ретинальные аксоны на поверхности мишени могут предоставлять градированные химические сигналы. Напр., у млекопитающих при формировании ремоделирование ветвей аксонов может контролироваться не только сигналами от мишени, но и также сигналами от соседних аксонов.

В самом деле, отталкивание между аксонами также было продемонстрировано для ретинальных аксонов in vitro: височные ретинальные аксоны отталкиваются аксонами не только заднего тектума, то и также назальными ретинальными аксонами (Bonhoeffer & Huf 1985; Raper & Grunewald 1990). Недавнее исследование продемонстрировало, что если одиночному ретинальному аксону позволяется проецироваться в тектум у рыбок данио, то отдельный аксон заканчивается в большей области на мишени, чем в контроле (Gosse et al. 2008). Сходным образом у мышей ретинальные аксоны неспособны проецироваться в топографические правильные позиции на мишени, если число клеток ретинального ганглия драматически снижается, это противоречит модели, базирующейся только на взаимодействиях аксон-мишень (Triplett et al., 2011). Поскольку ephrins и Ephs оба экспрессируются в сетчатке комплементарным способом, то ephrins/Ephs могут дейстовать не только между аксонами и мишенями, но и также между аксонами в пучке аксонов и/или на поверхности мишени. В самом деле, недавние исследования четко продемонстрировали, что адгезия и отталкивание между сонсорными и моторными аксонами регулируются с помощью транс-аксональной ephrin-A/EphA обратной и прямой передачи сигналов, соотв. (Gallarda et al. 2008; Wang et al. 2011). Сходные находки были описаны для проекций аксонов мозолистого тела (Nishikimi et al. 2011). Было бы интересно изучить с помощью идеально подходящего условного мутагенеза, участвуют ли транс-аксональная ephrin/Eph передача сигналов, наблюдаемая в сенсорных и моторных аксонах, также при формировании зрительных карт.

A revised model: axon sorting and directional guidance by the target

Как упоминалось, выше, модели, базирующиеся исключительно на взаимодействиях аксон-мишень, противоречат ряду экспериментальных наблюдений, демонстрирующих, что "относительные" уровни рецепторов наведения предопределяют места проекций. Более того, модель аксон-мишень, базирующаяся на абсолютных уровнях молекул д. быть очень чувствительной к средовым и генетическим флюктуациям. Напротив, механизмы, базирующиеся на сортировке аксонов д. быть сильными в формировании нейральных карт, поскольку сортировка аксонов происходит, базируясь на относительных уровнях сигналов среди аксонов. В обонятельной системе млекопитающих OR гены динамически вовлекаются в генные дупликации и потери генов, чтобы адаптироваться к меняющимся условиям. Поскольку обонятельная карта формируется сортировкой аксонов, то мишень не нуждается в изменениях, когда OR ген добавляется или теряется во время эволюции. Фактически, было продемонстрировано, что приобретение нового OR гена достаточно для генерации новых гломерул в обонятельной луковице (Belluscio et al. 2002). Т.о., формирование нейральных карт сортировкой аксонов является экономичным с эволюционной точки зрения.

Сортировка клеток, по-видимому, важна не только для формирования нейральных карт, но и также для формирования онтогенетического паттерна в целом. В целом считается, что морфогенез и формирование паттерна контролируются морфогенетическими градиентами (reviewed by Wolpert 2011). Однако опять же механизмы, базирующиеся на "абсолютной" концентрации морфогенов д. быть очень чувствительны к пертурбациям и флюктуациям. Недавние исследования продемонстрировали, ято положение клетки не играет роли в формировании паттерна в некоторых системах. Напр., в многоклеточном состоянии социальная амеба Dictyostelium, один из наиболее примитивных многоклеточный организм, обнаруживает формирование паттерна благодаря случайной дифференцировке по типу соль-и-перец и последующей сортировке клеток без морфогенетического градиента (reviewed by Kay & Thompson 2009).

Concluding remarks

In this review, the axon sorting model for neural map formation was discussed: the relative positions of axon terminals in neural maps are determined by axon sorting in the pathway and/or on the surface of the target after the axons have arrived. Target-derived guidance cues serve as directional cues rather than positional cues, and help arrange the sorted axons along the correct axis of the target (Fig. 3). Although the experimental evidence is available only in the mouse olfactory system, similar mechanisms are also likely involved in the neural map formation in other systems, including the visual system. Furthermore, similar cell sorting mechanisms may also explain developmental processes in non-neuronal systems.

In the olfactory system, trans-axonal Sema3A-Nrp1 and Sema3F-Nrp2 signals are involved in axon sorting and neural map formation. However, they are most likely parts of trans-axonal signals, and attraction and/or adhesion may counterbalance these repulsive actions. In one scenario, adhesion mechanisms that fasciculate all OSN axons might be sufficient to counterbalance the repulsion. To fill the entire target region, axonal tiling (or axonal competition, Triplett et al., 2011), which probably require both axon–axon and axon–target interactions, may also play an important role. It will be important to determine how the repulsive trans–axonal interactions are counterbalanced by attractive/adhesive and tiling/competition mechanisms.

An emerging view of olfactory map formation is that the map is largely self-organized by peripheral axons. However, odor-evoked behavior is sometimes robust and stereotyped, suggesting “hard-wired” olfactory circuits (reviewed by Stowers & Logan 2010). This may indicate that some additional molecules determine the precise matching between OSNs and second-order neurons, mitral and tufted cells. Alternatively, mitral/tufted cells may be naпve without inputs, and OSN-derived signals may instruct the wiring specificities of mitral/tufted cells (Belluscio et al. 2002). These are important issues for future studies.

Positional information in neural map development: Lessons from the olfactory systemTakeshi Imai Development, Growth & Differentiation Special Issue: Neural Development Edited by T. Miyata. Volume 54, Issue 3, pages 358–365, April 2012

Positional information in neural map development: Lessons from the olfactory system
Takeshi Imai
Development, Growth & Differentiation Special Issue: Neural Development Edited by T. Miyata. Volume 54, Issue 3, pages 358–365, April 2012