У рыбок данио-рерио в спинном мозге обнаружен датчик движения тела

Шведские исследователи из Каролинского института обнаружили в спинном мозге рыбок данио-рерио проприоцепторы – рецепторы, отвечающие за ощущение положения собственного тела в пространстве – и объяснили, как они участвуют в движении. Статья опубликована в журнале Neuron.

Проприоцепция рыбок данио-рерио. Credit: Laurence D. Picton et al / Neuron 2021


Про проприоцепцию

Даже с закрытыми глазами мы всегда знаем, в каком положении находятся наши руки и ноги, и можем рассчитать силу, с которой держим предмет. В этом нам помогает проприоцепция или мышечное чувство — ощущение положения частей тела в пространстве  и относительно друг друга.

Термин «проприоцепция» ввел в 1906 году Чарльз Шеррингтон— нейробиолог, лауреат Нобелевской премии. А спустя почти 110 лет, в 2015 году, ученым удалось выявить отвечающие за проприоцепцию ген и белок — Piezo2. Название белка происходит от греческого слова πίεση («пиеси») – «давление».

Белок Piezo2 находится в мембранах специальных нервных клеток мышц и сухожилий, называемых проприоцепторами. Такие рецепторы есть в суставах и в коже, но здесь их влияние незначительно.

Когда мы двигаемся, наши мышцы и сухожилия растягиваются, это создает напряжение в мембранах проприоцепторов. В ответ на это в белке Piezo2 открывается канал, ведущий внутрь проприорецепторной клетки. Туда направляются активные ионы натрия, вызывая деполяризацию мембраны, и «рождается» потенциал действия, то есть нервный имульс, который почти моментально доходит до головного мозга. Если ген, кодирующий белок Piezo2, удалить, то у животного нарушается согласованность движений.

Мыши с нокаутированным геном Piezo2. Credit:Seung-Hyun Woo et al /  Nature Neuroscience 2015


Таким образом, проприоцепция обеспечивает двигательную систему обратной связью. Без нее каждое движение и даже сохранение положения тела потребовало бы осознанного усилия и зрительной обратной связи.

Датчик движения тела у рыбок данио-рейро

«Чтобы успешно двигать нашим телом, нам необходимо устойчивое чувство собственного движения во времени и пространстве. Это ощущение обеспечивается проприоцепторными органами, которые, как считается, находятся только на периферии», —говорит Абдель Эль Манира, профессор кафедры нейробиологии и автор исследования.

Но может ли центральная нервная система внутренне ощущать собственное движение? Ученые из Каролинского института заявляют, что — да.

Передвижение у рыб состоит из боковых волнообразных движений, которые вызывают небольшие смещения отдельных позвонков вдоль позвоночного столба и создают локальную деформацию в каждой межпозвонковой области. Чтобы найти структуру, которая воспринимает этот сигнал, исследователи выполнили сканирование с помощью компьютерной микротомографии позвоночного столба рыбки данио-рерио.

Микротомография позвоночного столба данио-рерио.CreditLaurence D. Picton et al / Neuron 2021


В области каждого межпозвоночного диска (рис. B1, голубого цвета) исследователи обнаружили расширения ткани спинного мозга, растягивающиеся при движении. Они содержат нейроны, которые отсутствуют на стадии личинки и формируются примерно на 2–3 неделе развития рыбки. По этой причине их личинки плавают рывками, совсем не так плавно, как взрослые особи.

Нейроны, которые, вероятно, выполняют ту же роль, что и спинномозговые проприорецепторы, были описаны у различных групп позвоночных. Впервые их обнаружили в спинном мозге аллигатора, а затему большинства позвоночных: рептилий, птиц и млекопитающих, включая человека. Функция этих структурдо конца не была изучена.

С помощью  РНК-секвенирования (scRNA-seq)  ученые выявили в этих нейронах повышенную активность генов белка Piezo2, который помогает отслеживать положение тела в пространстве.

Однако роль обнаруженных проприорецепторов  заключалась не только в оценке положения в пространстве, но и в регуляции движения. Это происходит благодаря влиянию на нейроны-водители ритма при помощи тормозящей обратной связи. Механизм объединяет сенсорные и моторные сигналы в единую сеть.

Для проверки своей  гипотезы исследователи удалили проприрецепторы, и движение рыбок стало менее плавным.

 

Рыбки данио-рерио с проприорецепторами и без них. CreditNeuron


Одним из преимуществ «датчика движения» непосредственно в спинном мозге является быстрая обратная связь с нервными цепями, управляющими движением. Это обеспечивает плавное и быстрое передвижение.


Текст: Вера Васильева

A spinal organ of proprioception for integrated motor action feedback by Laurence D. Picton et al  in Neuron. Published February 2021

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.01.018