Удивительное разнообразие синапсов указывает на сложность нейронных цепей
Новое исследование выявило поразительную степень биологического разнообразия в неожиданном месте — в единственном нейронном соединении в стенке тела мух.
Это открытие, опубликованное в онлайн-выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences, поднимает важные вопросы о значении структуры в нервной системе и эволюции нейронных связей.
Исследование сосредоточено на хорошо изученном месте — нервно-мышечном соединении 4 (NMJ4), где один мотонейрон контактирует с конкретной мышцей в стенке тела мухи. Синапсы, где нейроны соединяются со своими мишенями, морфологически сложны, напоминая миниатюрные деревья, усеянные нервными окончаниями — синаптическими бутонами.
Согласованность у одного вида: Изучив NMJ4 у лабораторных и диких плодовых мух Drosophila melanogaster (из Мадисона, Висконсин, и Зимбабве), исследователи обнаружили, что морфология синапса была одинаковой. Все мухи имели схожие "арборизации" (ветвления) и бутоны.
Неожиданное разнообразие между видами: Когда команда изучила NMJ4 у 21 другого вида Drosophila со всего мира, картина резко изменилась. Каждый вид имел характерный внешний вид NMJ4, но эти формы варьировались драматически:
- У одних видов NMJ4 состоял из нескольких бутонов, расположенных простой неразветвленной цепочкой.
- У других было много бутонов, распределенных по длинным ветвям.
- У третьих — многочисленные бутоны, упакованные в плотные, тесно сгруппированные "арборизации".
Эволюционные парадоксы:
- Различия в сложности не коррелировали с эволюционным родством видов. Более близкородственные виды не имели более похожих NMJ, чем далекие.
- Яркие различия были обнаружены даже между видами, разделенными менее одного миллиона лет эволюции, которые внешне почти неразличимы.
Причины вариаций: Ученые рассмотрели две гипотезы:
- Генетический дрейф — случайные генетические изменения, не влияющие на функцию (любой рабочий NMJ подходит).
- Естественный отбор — конкретный размер и структура синапса повышают выживаемость или репродуктивный успех. Количественный анализ морфологии NMJ у 11 видов с известным эволюционным деревом показал, что наблюдаемая изменчивость маловероятно случайна. Это указывает на движущую силу — естественный отбор, формирующий синапс определенным образом.
Функциональная загадка: Измерения электрической активности в цепи у четырех видов с разной морфологической сложностью не выявили различий в базовой нейронной работе. Это означает, что основная функция сохраняется несмотря на радикальные структурные изменения.
Выводы и будущие вопросы: Исследователи полагают, что существуют тонкие функциональные различия между разными структурами NMJ (например, в обучаемости или реакции на стресс), которые не были обнаружены в текущем эксперименте, но могут быть мишенью для отбора.
Это открытие поднимает множество новых вопросов об эволюции нервных систем, поведения и связи между морфологией синапса и его функцией.