Axone pionnier - Pioneer axon
L'axone pionnier est la classification donnée aux axones qui sont les premiers à se développer dans une région particulière. Ils proviennent de neurones pionniers et ont pour fonction principale d'établir le chemin de croissance initial que les axones de croissance ultérieurs, appelés axones suiveurs, suivront éventuellement par d'autres neurones.
Plusieurs théories relatives à la structure et à la fonction des axones pionniers sont actuellement à l'étude. La première théorie est que les axones pionniers sont des structures spécialisées et qu'ils jouent un rôle crucial dans le guidage des axones suiveurs. La seconde est que les axones pionniers ne sont pas différents des axones suiveurs et qu'ils ne jouent aucun rôle dans le guidage des axones suiveurs.
Anatomiquement, il n'y a pas de différences entre les axones pionniers et suiveurs, bien qu'il existe des différences morphologiques. Les mécanismes des axones pionniers et leur rôle dans le guidage axonal sont actuellement à l'étude. En outre, de nombreuses études sont menées sur des organismes modèles, tels que les sauterelles, le poisson zèbre et les mouches des fruits pour étudier les effets des manipulations d'axones pionniers sur le développement neuronal.
L'histoire
Santiago Ramon y Cajal , considéré comme le père des neurosciences modernes , a été l'un des premiers à observer physiquement des axones en croissance. De plus, il a observé que les axones se développaient de manière structurée et guidée. Il a soutenu que les axones étaient guidés par des signaux chimiotactiques . En effet, des expériences ultérieures ont montré que dans les modèles d' invertébrés et de vertébrés , les axones se développaient le long de routes prédéterminées pour créer un échafaudage reproductible de nerfs.
Les vues de Ramon y Cajal ont fait face à une certaine concurrence de celles de Paul Alfred Weiss , son neuroscientifique contemporain des années 1920 et 1930. Weiss a soutenu que la spécificité fonctionnelle ne dépendait pas de connexions axonales spécifiques, et que des signaux mécaniques non spécifiques participaient aux axones de guidage. Des enquêtes ultérieures sur les signaux chimiotactiques qui ont commencé dans les années 1970 ont finalement prouvé que les idées initiales de Ramon y Cajal étaient intuitives et en avance sur son temps.
Mécanismes de croissance
Le mécanisme de croissance des neurones pionniers a été étudié dans les systèmes nerveux central et périphérique des animaux invertébrés. Les observations de la croissance des axones au cours de la période embryonnaire précoce ont conduit à des conclusions selon lesquelles les axones sont activement guidés vers des emplacements spécifiques. Au sein de ces modèles animaux, plusieurs facteurs ont été identifiés comme jouant un rôle dans la détermination de la direction de la croissance.
Les cellules guides sont des cellules sensorielles à différenciation précoce spécialisées. Ces cellules sont essentielles pour fournir des informations de navigation aux axones pionniers. Les réseaux de neurones pionniers créent de courts segments d'axones pionniers s'étendant de distal à proximal dans un appendice. Les trajectoires qui en résultent sont dues à la croissance des axones pionniers du repère aux cellules du repère. De plus, les axones pionniers peuvent servir de cellules guides vers des neurones pionniers plus éloignés. Les études qui impliquaient la destruction sélective des cellules guides ont abouti à l'incapacité des axones pionniers de naviguer normalement vers le SNC à partir du SNP. Au lieu de cela, les axones pionniers ont supposé des configurations alternatives et ont suivi des trajectoires différentes. De plus, sans les cellules guides, les axones pionniers n'ont pas trouvé la route stéréotypée dans laquelle les axones pionniers navigueraient normalement.
Il a été démontré que les cellules gliales jouent également un rôle dans le guidage axonal de diverses manières. En particulier, les cellules gliales démontrent une interaction avec les cônes de croissance des axones pionniers. Il a été démontré que la voie d'extension des cônes de croissance est abondante dans les cellules gliales, qui font à leur tour partie d'un maillage cellulaire comprenant d'autres neurones intermédiaires et des filopodes. Les cellules gliales participent également à la fasciculation et à la défasciculation des axones, qui sont essentielles pour façonner les voies qui sont éventuellement suivies. Un mécanisme proposé implique la création d'un échafaudage en glie d'interface, avec lequel les cônes de croissance entrent en contact lors de l'établissement des voies axonales. L'ablation de l'interface glie conduit à une perte complète des voies axonales pionnières longitudinales. En outre, l'ablation de la glie dans le développement embryonnaire ultérieur a également interféré avec le guidage des axones suiveurs, montrant que les cellules gliales sont nécessaires pour maintenir l'échafaudage nécessaire pour entrer en contact avec les cônes de croissance.
Influences chimiotactiques
Une variété d'indices chimiotactiques fournissent une signalisation essentielle dirigeant la croissance directionnelle des axones pionniers. Les signaux chimiotactiques sont uniques en ce sens qu'ils peuvent être multifonctionnels et polyvalents. Un seul signal chimiotactique peut à la fois agir comme attractif ou répulsif pour les axones pionniers, et peut fonctionner à distance ou dans le voisinage immédiat. Plus précisément, les interactions entre les signaux chimiotactiques et les cônes de croissance peuvent offrir une explication possible de la diversité observée dans leur comportement. Les molécules de guidage sont fortement impliquées dans l'orientation des directions des cônes de croissance. Par exemple, les molécules de guidage peuvent initier, étendre, stabiliser ou rétracter des filopodes individuels , ainsi qu'attirer diverses molécules d'adhésion pour influer sur leur état physique.
Certains des divers signaux chimiotactiques qui ont été explorés dans les mécanismes des axones pionniers comprennent la nétrine , l' éphrine , la sémaphorine , Slit-Robo et Notch . Les récepteurs de ces molécules ont également été étudiés. Les netrins fonctionnent principalement comme des attractions des axones pionniers vers la ligne médiane. Ils peuvent agir à une distance de quelques millimètres, ainsi qu'à courte portée. Les Netrins peuvent également agir comme répulsifs. Le fait que la fonction de la nétrine a été conservée parmi une variété d'espèces sur 600 millions d'années est unique parmi les chimioattractants. Comme la nétrine, l'éphrine peut fonctionner à la fois comme un attractif et un répulsif. Les éphrines jouent principalement un rôle dans la définition d'un gradient le long de l'axe antéro-postérieur pour guider le développement des axones rétiniens. Les sémaphorines, qui ont été identifiées pour la première fois sur des axones spécifiques du SNC de la sauterelle, fonctionnent principalement comme des signaux inhibiteurs à courte portée qui éloignent les axones pionniers des régions moins idéales. Les complexes récepteurs pour les sémaphorines comprennent les neuropilines et les plexines .
La voie de signalisation cellulaire Slit-Robo joue un rôle important dans le guidage des axones pionniers, en particulier les axones longitudinaux pionniers. Ces axones, qui fonctionnent pour relier les principales parties du SNC, sont principalement présents au cours du développement embryonnaire . La famille Slit fonctionne principalement comme un répulsif vers les axones longitudinaux, les guidant loin de la ligne médiane ventrale. La perte de Slit chez la drosophile a provoqué la présence d'axones longitudinaux dans la ligne médiane. En conjonction avec le récepteur Robo, la signalisation Slit a joué un rôle dans la détermination des positions des voies parallèles à la ligne médiane pour les axones longitudinaux à suivre pendant le développement. La perte de Slit ou de Robo a causé un dysfonctionnement dans le développement des neurones pionniers longitudinaux dans le mésencéphale et le cerveau postérieur de la drosophile . En outre, il a été démontré que Robo joue un rôle diversifié dans le guidage axonal pionnier dans différentes zones du cerveau au cours du développement embryonnaire. Principalement, Robo 1 est crucial pour le guidage axonal longitudinal pionnier dans le tractus ventral, tandis que Robo 2 est important dans le tractus dorsal.
Il a été démontré que la signalisation associée au récepteur Notch, ainsi que la signalisation Notch / Abl non canonique, joue un rôle dans le développement de neurones pionniers longitudinaux dans le cordon nerveux ventral de la drosophile . Il a été démontré que le récepteur Notch interagit avec l'interface glie pour former un chemin que les neurones pionniers longitudinaux peuvent suivre. La signalisation Notch / Abl dans les neurones pionniers augmente la motilité des cônes de croissance des axones pionniers longitudinaux tout en stimulant le développement des filopodes. Il a également été noté que la signalisation Notch est également importante dans la migration des neurones dans le cortex des mammifères.
Anatomie
La croissance dirigée des axones dépend de la structure à l'extrémité de la pointe d'un axone en croissance appelé cône de croissance. Les cônes de croissance , en bref, sont des structures mobiles qui explorent l'environnement et guident finalement l'extension de l'axone. La réponse des cônes de croissance à diverses molécules de signalisation dicte la voie et la direction de croissance correctes de l'axone. Les cônes de croissance possèdent une expansion en forme de feuille à l'extrémité appelée lamellipode , à partir de laquelle s'étendent de fins processus appelés filopodes . Le cône de croissance est nécessaire à la construction des voies neuronales.
Bien que les axones pionniers et les axones suiveurs possèdent tous deux des cônes de croissance, il existe plusieurs différences morphologiques liées à la fonction des axones pionniers. La structure du cône de croissance change chaque fois qu'un axone atteint un territoire qui n'avait pas été auparavant innervé, ou si un choix de direction est nécessaire. Principalement, les lamellipodes augmentent en taille et étendent de nombreux filopodes afin de collecter le plus d'informations sensorielles possible.
Rôle dans le développement neuronal
Le rôle des axones pionniers dans le développement neuronal a été largement étudié dans divers systèmes d'invertébrés et de vertébrés à la fois dans le système nerveux central et le système nerveux périphérique . Bien que ces expériences aient mis en lumière les fonctions des axones pionniers, les résultats révèlent des informations contradictoires sur l'étendue de l'effet des axones pionniers sur le développement approprié. En outre, d'autres études ont montré que certaines cellules qui interagissent avec les axones pionniers sont également cruciales dans le développement éventuel des voies neuronales, et que la perte de ces cellules entraîne une mauvaise navigation des axones pionniers. En outre, des voies identiques et des neurones homologues à travers différentes espèces reflètent différentes capacités de recherche de chemin des cônes de croissance dans les neurones pionniers.
Une enquête a été menée pour examiner le rôle des axones pionniers dans la formation des voies axonales du SNC et du SNP chez un embryon de drosophile . En utilisant une méthode d'ablation de neurones spécifiques, l'ablation de l'axone aCC, qui joue un rôle de pionnier dans le nerf intersegmental dans le SNP de la drosophile , a entraîné un retard des trois axones suiveurs typiques et des erreurs de recherche de chemin. Malgré ces conséquences, la voie s'est finalement formée chez la majorité des sujets. L'ablation des axones pionniers qui ont formé les étendues longitudinales dans le SNC de la drosophile a entraîné des difficultés similaires dans la formation et l'organisation des voies longitudinales dans 70% des segments observés. En fin de compte, comme dans le PNS, les voies longitudinales se sont formées dans environ 80% des segments observés. Ainsi, il a été montré que les axones pionniers jouaient un rôle dans le développement du SNC et du PNS, et sans les axones pionniers, la croissance des adeptes était retardée. De manière remarquable, la majorité des faisceaux se sont formés, indiquant que d'autres facteurs jouent un rôle dans le guidage axonal qui peut corriger la perte de neurones pionniers.
Bien que les études des mécanismes des axones pionniers se soient principalement déroulées dans des modèles d'invertébrés, des études ont également commencé à explorer le rôle des axones pionniers dans le développement de grands axes axonaux vertébrés. Le principal modèle de ces expériences a été le poisson zèbre. Comme chez la drosophile , il existe des preuves pour montrer que bien que les axones pionniers jouent un rôle important dans le guidage des cônes de croissance des axones suiveurs, ils peuvent ne pas être complètement essentiels. Le cerveau du poisson zèbre précoce présente un environnement idéal pour étudier le comportement du développement des voies axonales. Les premiers neurones pionniers de différenciation créent un échafaudage avec lequel interagissent les cônes de croissance des axones suiveurs.
La suppression des axones pionniers qui créent l'échafaudage a un effet sur les cônes de croissance des neurones du noyau de la commissure postérieure, en ce qu'ils ne peuvent pas suivre le chemin normal de l'extension ventrale, puis postérieure. Malgré l'échafaudage de neurones pionnier compromis, les cônes de croissance suiveurs s'étendent normalement sur le ventre. Cependant, environ la moitié des suiveurs ne suivent pas correctement le trajet longitudinal postérieur, tandis que l'autre moitié le fait. Cela suggère que d'autres signaux autres que ceux des axones pionniers jouent un rôle dans le guidage de la croissance des axones suiveurs, et que les axones pionniers peuvent jouer des rôles différents dans différentes parties du développement neuronal. Dans une autre étude, le remplacement ou le retrait des cellules ganglionnaires rétiniennes précoces, qui fonctionnent comme des neurones pionniers, a eu un effet significativement délétère sur la capacité des axones ultérieurs à sortir de l'œil. Des interactions axone-axone ultérieures se sont également avérées nécessaires, car un mauvais acheminement des axones rétiniens entraînait une défasciculaiton du chiasme, des projections télencéphaliques et ventrales du cerveau postérieur ou un croisement aberrant dans la commissure postérieure .