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上海生科院阐明迁移神经元的动力学规律

6月8日,中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所蒲慕明组在《细胞生物学期刊》发表了题为《牵引力的时空动态性显示迁移神经元有三个收缩中心》的科研论文。这项研究通过测量并干预单个神经元在迁移过程中的牵引力变化,阐明了迁移神经元的动力学规律。

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神经元迁移是脑结构发育中不可或缺的一步,迁移紊乱会导致多种脑疾病,包括智力缺陷。过去的研究多侧重于神经元迁移的分子机制,对其力学机制却鲜有涉及。这项研究直接测量了神经元迁移过程中的牵引力。所使用的测量技术是牵引力显微镜学(TFM)。


将分离打散的小脑颗粒细胞(GC)培养在一种弹性基质——聚丙烯酰胺凝胶(PAA)上,通过共聚焦显微镜观察细胞运动所导致的PAA形变,即可计算出对应的牵引力。该研究第一次详细阐述了迁移神经元的动力学特性,加深了对神经元迁移机制的理解。


通过直接测量,该研究发现,神经元的牵引力主要在三个特定的位置产生。这三个位置被命名为收缩中心,分别是前导突起远端(dLP)、前导突起近端(pLP)和尾突起(TP)上。无论神经元是否迁移,收缩力都随着时间非常活跃地动态变化。


当dLP、pLP与TP的收缩力不均衡时,神经元即发生迁移。收缩力的产生依赖于肌动蛋白与微丝,其波动性依赖于微丝的动态变化。微管也参与了收缩力的调节,用药物解聚微管可以极大增强收缩力。细胞通过整合素与细胞外基质相连接。


该研究还发现,不同于静止GC,迁移中的GC前端的粘附强于尾端。尽管神经元中并没有成纤维细胞那样典型的黏着斑结构,抑制黏着斑激酶依然能够增强GC的收缩力。神经导向因子能够调节神经元运动的方向。该研究发现,局部施加脑源性神经生长因子(BDNF)和Slit2,能够分别增强和抑制近端的收缩中心的活性,使GC两端的收缩力不对称分布,从而使GC定向迁移。


(a)小脑颗粒细胞(GC,绿色实线)的应力差分图显示三个不同的收缩中心(白色虚线)。


(b)牵引力的不平衡导致胞体迁移。左侧显示示例GCF的位移-时间曲线,其中箭头指示的时间段的牵引力图在右侧显示。


(c)神经元迁移的力学模型及其调控机制。当没有外界导向因子时,三个收缩中心随机活动,胞体随机运动。


当存在外界导向因子时,收缩中心的活性受导向因子调节,因而开始定向运动。


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