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¿Cómo se forman los objetivos para los conos de crecimiento de axones (SNC)?

¿Cómo se forman los objetivos para los conos de crecimiento de axones (SNC)?



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Los axones tienen conos de crecimiento que encuentran una ruta hacia su objetivo utilizando múltiples métodos (células de guía, atracción al objetivo, etc.). Mi pregunta es, ¿cuál es el proceso que realmente forma el objetivo? Para algunos Axon A1 de Neuron A, ¿por qué omite Neuron B y va directamente a Neuron C? ¿Cómo se forma un objetivo en la neurona C para que la neurona A se conecte? ¿Hay artículos / lecturas sobre este tema? También está el proceso de seguir el camino de un axón pionero. ¿Seguir el camino de un axón pionero tiene prioridad sobre otras formas de señalización? ¿La distancia juega un factor en la elección de un objetivo (por ejemplo: el cono de crecimiento del axón prefiere un objetivo más cercano que un objetivo lejano?)


Manejo de ramas: mecanismos de ramificación de axones en el SNC de vertebrados en desarrollo

La ramificación de axones conecta neuronas individuales con múltiples objetivos, lo que, junto con la formación de cenadores terminales muy ramificados, subyace a los complejos circuitos del SNC de los vertebrados.

Las ramas colaterales de los axones se extienden intersticialmente desde el eje del axón como filopodios dinámicos que se desarrollan en ramas en las regiones objetivo apropiadas para formar mapas funcionales. Las señales de guía extrínsecas, los factores de crecimiento y los morfógenos regulan la ramificación del axón y dan forma a los cenadores terminales que se desarrollan a partir de las ramas del axón.

El crecimiento y la guía de las ramas del axón en respuesta a señales extracelulares requieren una reorganización dinámica del citoesqueleto de actina y microtúbulos. Los ciclos de polimerización y despolimerización del citoesqueleto están altamente regulados por proteínas asociadas a actina y microtúbulos durante la formación de ramas.

Las vías de señalización complejas que se activan mediante señales extracelulares a través de sus receptores regulan la ramificación del axón. El objetivo final de las vías de transducción de señales es el citoesqueleto, que puede reorganizarse mediante cambios en la dinámica para promover o suprimir la ramificación del axón.

La actividad neuronal, que a menudo es estimulada por señales extracelulares, puede regular la ramificación del axón mediante fluctuaciones transitorias en los niveles de calcio intracelular, que actúa como un segundo mensajero para activar los efectores citoesqueléticos posteriores. Los efectos de la actividad neuronal pueden implicar la competencia entre árboles de axones vecinos, como en el sistema retinotectal, donde los mecanismos competitivos dependientes de la actividad regulan el tamaño y la complejidad del árbol.

Las direcciones futuras en el estudio de la formación de ramas axónicas involucrarán el uso de preparaciones del SNC de vertebrados que recapitulan la complejidad de la en vivo medio ambiente. Las mejoras en las técnicas de etiquetado y la microscopía time-lapse de alta resolución deberían facilitar dichos estudios.


Artículo de revisión

William Rodemer 1, Gianluca Gallo 1,2 y Michael E. Selzer 1,3 *
  • 1 Centro de Investigación Pediátrica de los Hospitales Shriners, Facultad de Medicina Lewis Katz, Universidad de Temple, Filadelfia, PA, Estados Unidos
  • 2 Departamento de Anatomía y Biología Celular, Facultad de Medicina Lewis Katz, Universidad de Temple, Filadelfia, PA, Estados Unidos
  • 3 Departamento de Neurología, Facultad de Medicina Lewis Katz, Temple University, Filadelfia, PA, Estados Unidos

Después de una lesión en el sistema nervioso central (SNC), la recuperación funcional está limitada por la incapacidad de los axones cortados para regenerarse y formar conexiones funcionales con las neuronas diana apropiadas más allá de la lesión. A pesar de los tremendos avances en nuestra comprensión de los mecanismos del crecimiento de los axones y de los factores inhibidores en el SNC lesionado que lo previenen, lamentablemente se han logrado pocos avances en la restauración de la función de los pacientes humanos con lesiones del SNC, como la lesión de la médula espinal (LME). , a través de terapias regenerativas. Claramente, el gran número de factores inhibidores del crecimiento intrínsecos y extrínsecos de neuronas que se superponen atenúa el beneficio de neutralizar cualquier objetivo. Más desalentadoras son las distancias que los axones humanos tendrían que regenerar para alcanzar un número umbral de neuronas objetivo, por ejemplo, aquellas que ocupan un segmento espinal completo, en comparación con las distancias requeridas en la mayoría de los modelos experimentales, como ratones y ratas. Sin embargo, las dificultades inherentes al estudio de los mecanismos de regeneración de axones en el SNC maduro en vivo han provocado que los investigadores se basen en gran medida en la extrapolación de estudios de regeneración de axones en nervios periféricos o del desarrollo de axones mediado por conos de crecimiento in vitro y en vivo. Desafortunadamente, la evidencia de varios modelos animales, incluida la médula espinal de lamprea seccionada, ha sugerido diferencias importantes entre la regeneración de axones maduros del SNC y el crecimiento de axones en el nervio periférico o durante el desarrollo embrionario. Específicamente, la regeneración a larga distancia de axones cortados puede no involucrar los motores moleculares de actina-miosina que guían los conos de crecimiento embrionario en el desarrollo de axones. Más bien, puede ser necesario un alargamiento del axón no mediado por conos de crecimiento para impulsar los axones lesionados en el SNC maduro. Si es así, puede ser necesario utilizar otros modelos experimentales para promover la regeneración que sea suficiente para contactar un número crítico de neuronas diana distales a una lesión del SNC. Esta revisión examina los fundamentos citoesqueléticos del crecimiento de los axones, centrándose en la punta del axón que se alarga, para comprender cómo responden los axones del SNC a las lesiones y cómo esto podría afectar el desarrollo de terapias regenerativas para las SCI y otras lesiones del SNC.


Los conos de crecimiento se atascan y colapsan durante el crecimiento del axón en Caenorhabditis elegans

K.M. Knobel, E.M. Jorgensen, M.J. Bastiani Los conos de crecimiento se atascan y colapsan durante el crecimiento del axón en Caenorhabditis elegans. Desarrollo 15 de octubre de 1999 126 (20): 4489–4498. doi: https://doi.org/10.1242/dev.126.20.4489

Durante el desarrollo del sistema nervioso, las neuronas forman contactos sinápticos con células diana distantes. Estas conexiones se forman por la extensión de procesos axonales a lo largo de vías predeterminadas. El crecimiento de axones está dirigido por conos de crecimiento ubicados en las puntas de estos procesos neuronales. Aunque el comportamiento de los conos de crecimiento se ha caracterizado bien in vitro, es difícil observar conos de crecimiento in vivo. Hemos observado conos de crecimiento de neuronas motoras que migran en larvas vivas de Caenorhabditis elegans utilizando microscopía confocal de lapso de tiempo. Específicamente, observamos que las neuronas motoras VD extienden los axones desde el cordón nervioso ventral hasta el dorsal durante la etapa L2. Los conos de crecimiento de estas neuronas son redondos y migran rápidamente a través de la epidermis si no están obstruidos. Cuando entran en contacto con los axones de los fascículos nerviosos laterales, los conos de crecimiento se detienen y se extienden a lo largo del fascículo para formar estructuras en forma de yunque. Después de una pausa de unos minutos, extienden los lamelipodios más allá del fascículo y reanudan la migración hacia el cordón del nervio dorsal. Los conos de crecimiento se detienen nuevamente cuando entran en contacto con los músculos de la pared del cuerpo. Estos músculos están firmemente unidos a la epidermis mediante estructuras de unión circunferenciales estrechamente espaciadas. Los conos de crecimiento estancados se extienden dorsalmente los dedos entre estas estructuras de inserción hipodérmica. Cuando un solo dedo se ha proyectado a través del cuadrante del músculo de la pared del cuerpo, el cono de crecimiento ubicado en el lado ventral del músculo colapsa y se forma un nuevo cono de crecimiento en la punta dorsal del dedo predominante. Por lo tanto, observamos que el colapso completo del cono de crecimiento se produce in vivo y no solo en los ensayos de cultivo. En contraste con los estudios que indican que el colapso se produce al entrar en contacto con sustratos repulsivos, el colapso de los conos de crecimiento VD puede resultar de una señal intrínseca que sirve para mantener la primacía del cono de crecimiento y conservar el material celular.


Biología de células neuronales

una. axones - largos y sin ramificar hasta que llega al final - el terminal del axón - donde se ramifica, el área donde sale del soma se llama el montículo del axón). Los axones grandes generalmente están envueltos en una vaina llamada mielina con espacios entre ellos llamados nodos de Ranvier.

mismo tamaño y duración para cualquier neurona en particular (a diferencia del potencial graduado)

- neuronas motoras / neuronas somatomotoras o neuronas del sistema nervioso somático responsables del control del movimiento del músculo esquelético

tienen más funciones que cualquier otro tipo de célula del sistema nervioso

1. andamio: forman el andamio de todo el sistema nervioso central y la mayor parte de la estructura que forma el cerebro y la médula espinal; proporcionan soporte estructural.

2. Cicatriz glial: los astrocitos reaccionan a una lesión en el cerebro migrando y formando tejido cicatricial alrededor del sitio de la lesión; el tejido cicatricial se llama cicatriz glial y el proceso se llama gliosis / astrogliosis / astrocitosis.

3. homeostasis: las condiciones óptimas y las del líquido intersticial liberan lactato en el líquido intersticial, porque las neuronas tienen muy pocas reservas de energía en sus células (dependen completamente de un suministro continuo de oxígeno y glucosa para tener todo el trifosfato de adenosina que necesitan para funcionar). Sus funciones Los astrocitos tienen reservas internas de energía en forma de glucógeno y pueden convertir algo de eso en lactato y segregarlo para que las neuronas puedan utilizar el lactato en caso de apuro.

4. barrera hematoencefálica: la barrera que evita que las moléculas grandes salgan de la sangre y entren en el SNC (a menos que las células quieran que esa molécula grande entre). Procesos de astrocitos: el juego de las patas terminales está enyesado en todos los vasos sanguíneos evitando (en cooperación con los vasos sanguíneos) que grandes moléculas ingresen al SNC

5. Limpiar las sinapsis entre las neuronas: las patas terminales también están enyesadas en todas las sinapsis y ayudan a limpiar las moléculas que se comunican entre las neuronas (los neurotransmisores).


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En: Development, vol. 127, núm. 10, 1 de mayo de 2000, pág. 2001-2009.

Resultado de la investigación: Contribución a la revista ›Artículo› revisión por pares

T1: la búsqueda de caminos de axones procede normalmente a pesar de las decisiones de cono de crecimiento interrumpidas en la línea media del SNC

N2: los axones en el cerebro bilateral de Drosophila deciden si cruzar o no la línea media antes de seguir sus vías posteriores específicas. En mutantes sin comisuras, los axones de las motoneuronas RP3 y V a menudo no cruzan la línea media, pero posteriormente siguen las vías de la imagen especular e inervan los objetivos musculares correspondientes en el lado ipsilateral. Por el contrario, en los mutantes indirectos, los axones de las motoneuronas RP2 y aCC a veces cruzan la línea media de forma anormal, pero sus vías subsiguientes y la orientación sináptica son las imágenes especulares perfectas de las que se ven en el tipo salvaje. Además, dentro de un solo segmento de estos mutantes, pares bilaterales de axones de motoneuronas pueden tomar sus decisiones de línea media independientemente entre sí. Por lo tanto, ni la experiencia molecular particular de los conos de crecimiento ni la decisión en la línea media causada por estas mutaciones afecta su capacidad para responder normalmente a las señales presentadas posteriormente.

AB: los axones en el cerebro bilateral de Drosophila deciden si cruzar o no la línea media antes de seguir sus vías posteriores específicas. En mutantes sin comisuras, los axones de las motoneuronas RP3 y V a menudo no cruzan la línea media, pero posteriormente siguen las vías de la imagen especular e inervan los objetivos musculares correspondientes en el lado ipsilateral. Por el contrario, en los mutantes indirectos, los axones de las motoneuronas RP2 y aCC a veces cruzan la línea media de forma anormal, pero sus vías subsiguientes y la orientación sináptica son las imágenes especulares perfectas de las que se ven en el tipo salvaje. Además, dentro de un solo segmento de estos mutantes, los pares bilaterales de axones de motoneuronas pueden tomar sus decisiones de línea media independientemente entre sí. Por lo tanto, ni la experiencia molecular particular de los conos de crecimiento ni la decisión en la línea media causada por estas mutaciones afecta su capacidad para responder normalmente a las señales presentadas posteriormente.


Descripción

• Varios factores intrínsecos influyen en la regeneración del SNC.

• Tanto las terapias farmacéuticas como las biológicas, como las células madre, se utilizan para facilitar, reparar y regenerar el sistema nervioso dañado.

Las neuronas sensoriales primarias con cuerpos celulares en los ganglios de la raíz dorsal tienen 2 ramas: (1) un axón periférico que se regenera a sí mismo si se lesiona y (2) un axón central que ingresa al SNC y no se regenera después de una lesión. El entorno local de estas ramas explica la diferencia en la regeneración: el axón periférico contiene células de Schwann, mientras que el axón central contiene oligodendrocitos y astrocitos. En el sistema nervioso periférico, los restos de mielina se eliminan rápidamente y las células de Schwann desdiferencian y regulan negativamente la expresión de la proteína de mielina, lo que facilita la regeneración. La composición y organización de la matriz extracelular en las lesiones del SNC es un obstáculo para la regeneración.

Factores intrínsecos que influyen en la regeneración del SNC. Varios factores intrínsecos que modulan la regeneración en el SNC se enumeran en la Tabla 1 y se describen en el siguiente texto. Los factores neurotróficos son los más importantes de todos los factores que influyen en la regeneración.

Tabla 1. Factores que influyen en la regeneración del sistema nervioso central

Papel en la regeneración y la recuperación

• Supervivencia celular, estimulación de cono de crecimiento de axón, regeneración de sinapsis.

Expresión de genes neuroprotectores

• La expresión de genes como Bcl-2 y c-fos / jun puede ocurrir pocos minutos después de una lesión cerebral aguda y es un factor determinante de la recuperación final.

• Las células madre neurales pueden migrar al sitio de la lesión en el cerebro y participar en la regeneración.

• Las células precursoras de oligodendrocitos en el SNC se activan en respuesta a la lesión de la mielina, migran al sitio del daño y se diferencian en oligodendrocitos maduros, ya que el fracaso de la remielinización de este proceso conduce a la desmielinización, que requiere reparación (05).

• Estos están involucrados en la sinaptogénesis en el SNC.

Niveles intracelulares de nucleótidos cíclicos en las neuronas

• Estos influyen en la capacidad de las neuronas maduras del SNC para iniciar y mantener una respuesta de recrecimiento.

Sistema inmunológico innato, representado por macrófagos activados.

• Esto puede facilitar los procesos de regeneración en la médula espinal seccionada.

Sintasa de óxido nítrico inducible

• Por lo general, esto no está presente en el cerebro, pero puede detectarse en el cerebro después de una lesión y puede ser necesario para una reparación adecuada.

• Se observa una fuerte expresión de activina en los procesos de reparación del cerebro y puede tener un papel en la neuroprotección. Aunque una sobreexpresión transitoria de activina después de una lesión tisular podría ser beneficiosa para el proceso de reparación, la expresión sostenida de activina podría ser perjudicial para la regeneración.

• Barrera física para la regeneración además de ser la fuente de varios inhibidores del crecimiento de neuritas.

Inhibidores del crecimiento de neuritas

• Se encuentran en el tejido gliótico e inhiben la regeneración.

• Por lo general, los autoanticuerpos humorales de naturaleza patógena también pueden promover la reparación de tejidos después de una lesión y enfermedad del sistema nervioso central.

• Facilitar la regeneración del cerebro en animales de experimentación.

Causas de la falta de regeneración en el SNC. El proceso de regeneración del SNC no tiene éxito por 3 razones: (1) las neuronas son altamente susceptibles a la muerte después de una lesión del SNC (2) múltiples factores inhibidores en los entornos del SNC dificultan la regeneración y (3) se reduce la capacidad de crecimiento intrínseco de las neuronas posmitóticas. La investigación está proporcionando una visión de estas áreas y formará la base de las estrategias para promover la regeneración del SNC.

Papel de las células gliales en la lesión y regeneración del SNC. Las células gliales consisten en microglía, que tiene una función fagocítica, y macroglia (astrocitos y oligodendrocitos). Los astrocitos proporcionan apoyo estructural, trófico y metabólico a las neuronas y modulan la actividad sináptica. Por lo tanto, el deterioro de las funciones de los astrocitos en las lesiones cerebrales puede comprometer la supervivencia de las neuronas. Las funciones de los astrocitos que se sabe que influyen en la supervivencia neuronal incluyen el metabolismo del glutamato, la eliminación de radicales libres y la producción de citocinas y óxido nítrico. La regeneración de las neuronas después de una lesión está influenciada por la liberación de factores neurotróficos por parte de los astrocitos. Los trastornos degenerativos pueden afectar tanto a las neuronas como a las células gliales, estas últimas pueden contribuir al deterioro del aprendizaje y la memoria. Los enfoques terapéuticos para los trastornos neurodegenerativos deben tener como objetivo restaurar las funciones tanto de las neuronas como de las células gliales.

Para superar el entorno inhibitorio de la cicatriz glial, los tratamientos deben mejorar la capacidad de las neuronas para alargar y manipular los inhibidores extrínsecos que bloquean el crecimiento en el entorno inmediato de la cicatriz glial. Este enfoque combinado puede inducir la regeneración funcional después de una lesión del SNC.

Un estudio ha demostrado cómo la astroglia puede convertirse directamente en las 2 clases principales de neuronas corticales, tanto excitadoras como inhibidoras, mediante la transducción selectiva de factores de transcripción, proteínas específicas que regulan la transcripción del ADN (14). Este enfoque puede proporcionar nuevas terapias para enfermedades neurodegenerativas.

Existe una diafonía entre las células progenitoras endoteliales y los astrocitos reactivos, que pueden liberar una molécula de patrón molecular asociada al daño llamada caja de grupo 1 de alta movilidad que promueve la remodelación neurovascular mediada por células progenitoras endoteliales durante la recuperación después de un accidente cerebrovascular y una lesión cerebral ( 13).

Papel de los factores neurotróficos en la regeneración neuronal. El papel de los factores neurotróficos durante la regeneración neuronal difiere poco de su papel durante el desarrollo neuronal en la expresión de genes citoesqueléticos o en la síntesis de proteínas celulares, lo que sugiere que los eventos reguladores durante la regeneración recapitulan los patrones encontrados durante el desarrollo.

Un estudio experimental en modelos de ratón ha demostrado que la proteína de la membrana plasmática, llamada Efr3, regula la vía de señalización de la cinasa B relacionada con el factor neurotrófico derivado del cerebro y la tropomiosina (BNDF-TrkB) y afecta la generación de nuevas neuronas en el hipocampo de los cerebros adultos (29). ). A su vez, esta generación de nuevas neuronas juega un papel importante en el aprendizaje y la memoria.

Factor de crecimiento nervioso. Dentro del sistema nervioso central, el principal sistema neuronal regulado por el factor de crecimiento nervioso es el de las neuronas colinérgicas del prosencéfalo basal, que envían proyecciones organizadas topográficamente al hipocampo y al neocórtex cerebral. Debido a su participación en trastornos neurodegenerativos como la enfermedad de Alzheimer, muchos estudios han analizado el efecto del factor de crecimiento nervioso en estas neuronas. Las neuronas colinérgicas reciben factor de crecimiento nervioso de la corteza y el hipocampo donde se sintetiza la neurotrofina.

La regeneración en el sistema nervioso central de los mamíferos adultos se ha visto con pesimismo en el pasado. Se ha aplicado un rápido progreso de conceptos y herramientas en biología del desarrollo para abordar las cuestiones de la regeneración. Los objetivos importantes son la supervivencia celular, el reinicio del crecimiento de axones, la búsqueda de objetivos y la formación de conexiones funcionales. Los desarrollos significativos incluyen la disponibilidad de factores neurotróficos recombinantes y células madre para la reparación del sistema nervioso.

Neurotransmisores y regeneración de sinapsis. Las sinapsis son la vía final común para el intercambio de información en el sistema nervioso. Intervienen en una amplia gama de actividades, desde un simple arco reflejo hasta el aprendizaje y la memoria. La formación de sinapsis juega un papel importante en la regeneración y supervivencia neuronal. Las partes presináptica y postsináptica de la sinapsis están separadas por una hendidura sináptica. En la unión neuromuscular, una matriz extracelular especializada conocida como lámina basal sináptica ocupa esta hendidura. Los neurotransmisores como la acetilcolina o el glutamato se liberan de las vesículas presinápticas, atraviesan la hendidura y se unen a sus receptores en la membrana postsináptica. La señal termina por la recaptación o destrucción enzimática de los neurotransmisores. Las sinapsis se forman mediante la expresión de productos génicos específicos, como las proteínas de las vesículas sinápticas y los receptores de neurotransmisores. Este proceso está regulado hasta cierto punto por una combinación de factores neurotróficos y actividad eléctrica.

Papel de las células madre en la regeneración. Las células madre neurales migran a través del parénquima a lo largo de varias rutas de manera precisa y dirigida a grandes distancias hasta los sitios de la lesión en el sistema nervioso central, donde pueden comprometerse con nichos que albergan señales reparadoras locales expresadas de forma transitoria. Se está investigando la activación de células madre neurales endógenas junto con el trasplante de células madre para la regeneración de la médula espinal lesionada.

Las células madre mesenquimales secretan varios factores neurorreguladores que promueven la neurogénesis, la inhibición de la formación de cicatrices gliales y la neuroprotección, todo lo cual mejora la integración de las células progenitoras locales en los procesos de neurorregeneración (34). Las células madre mesenquimales tienen una aplicación clínica potencial para la neurorregeneración.

Cadherins. Estos se encuentran en la hendidura sináptica cerca de la zona de liberación del transmisor y pueden proporcionar una base molecular para las interacciones adhesivas entre membranas sinápticas opuestas. Por lo tanto, juegan un papel en la formación y mantenimiento de sinapsis. Las cadherinas podrían regular directamente la señalización celular para modular la conectividad sináptica.

Cicatriz glial. Una cicatriz glial que contiene moléculas de matriz extracelular que incluyen proteoglicanos de sulfato de condroitina se desarrolla en el sitio de la lesión y previene la regeneración axonal. La degradación de los proteoglicanos del sulfato de condroitina después de una lesión de la médula espinal mediante la aplicación de condroitinasa ABC a las columnas dorsales lesionadas de ratas adultas promueve la regeneración de los axones del tracto corticoespinal.

Los proteoglicanos de condroitín sulfato también tienen múltiples acciones inhibidoras mediadas por el receptor sigma de la proteína tirosina fosfatasa que dan como resultado una remielinización incompleta después de una lesión del SNC y proporcionan posibles dianas terapéuticas para mejorar la reparación de la sustancia blanca en el SNC dañado (28). Un estudio experimental ha demostrado que la actividad de la vía Wnt / β-catenina en células similares a fibroblastos en el sitio de la lesión es fundamental para el recrecimiento del axón y la recuperación funcional al inducir la expresión de col12a1a / by el depósito de colágeno XII, que es necesario para los axones para navegar activamente por el entorno del sitio de la lesión no neuronal (39). El trasplante de fibroblastos que secretan Wnt3a en un sitio de lesión espinal en ratas mejora la recuperación funcional y proporciona estrategias para modular la composición del sitio de lesión para inclinar la balanza hacia un entorno de matriz extracelular propicio para el crecimiento.

La visión clásica de que una cicatriz glial dificulta la regeneración ha sido desafiada por manipulaciones de pérdida de función dirigidas genéticamente en ratones adultos, que muestran que la prevención o ablación de la cicatriz de astrocitos no dio como resultado el recrecimiento espontáneo de los axones transectados en las lesiones de la médula espinal. La administración local de factores de crecimiento específicos del axón que faltan en las lesiones de la médula espinal estimula el recrecimiento del axón más allá de los astrocitos que forman cicatrices, y la prevención de la formación de cicatrices astrocíticas reduce significativamente este recrecimiento estimulado del axón, ya que las células en estas lesiones expresan múltiples moléculas para apoyar el recrecimiento del axón (02) .

Inhibidores del crecimiento de neuritas. En una cicatriz glial se encuentran varios inhibidores del crecimiento. Estos incluyen los siguientes:

• Inhibidores de la regeneración axonal asociados a la mielina.
• Los astrocitos producen tenascina, brevican y neurocan.
• Las células meníngeas producen NG2 y otros proteoglicanos.
• La microglía activada produce radicales libres, óxido nítrico y derivados del ácido araquidónico.

Se han identificado tres inhibidores de la regeneración axonal en la mielina: Nogo, glucoproteína asociada a mielina y glucoproteína de mielina de oligodendrocitos. Todas estas proteínas inducen el colapso del cono de crecimiento e inhiben el crecimiento de neuritas. Estos inhibidores y sus receptores pueden bloquearse con anticuerpos o péptidos para facilitar la regeneración. Algunos de los antagonistas específicos están disponibles comercialmente para investigación experimental. La combinación de anti-Nogo-A, condroitinasa ABC y rehabilitación se muestra prometedora para mejorar la recuperación funcional después de una lesión de la médula espinal (48).

Autoanticuerpos humorales. Las respuestas autoinmunes dirigidas contra el sistema nervioso central generalmente se consideran de naturaleza patógena, pero los anticuerpos autorreactivos también pueden mejorar la reparación de la mielina endógena. Todos los anticuerpos que promueven la remielinización se unen a los antígenos de la superficie de los oligodendrocitos, lo que sugiere que estos anticuerpos podrían funcionar mediante la estimulación directa de las células productoras de mielina. La comprensión de estos mecanismos debería abrir nuevas áreas importantes para el desarrollo de terapias basadas en anticuerpos y quizás también para terapias basadas en moléculas pequeñas y vacunas para la inducción de la respuesta reparadora.

Varios factores que influyen en la plasticidad del SNC. La plasticidad en el SNC después de una lesión o daño por un proceso patológico está influenciada por varios factores que incluyen la edad del sujeto, así como la naturaleza y gravedad del proceso patológico.

La edad. El cerebro posee un cierto grado de plasticidad biológica que disminuye con la edad. Puede mantenerse a menos que ocurra una enfermedad neurodegenerativa progresiva o un daño severo en el cerebro.

Localización de lesiones. Hay menos espacio para la plasticidad en las lesiones de la médula espinal que en los hemisferios cerebrales.

Tipo de lesion. La isquemia cerebral tiene un mejor alcance de regeneración y recuperación que las enfermedades neurodegenerativas progresivas. Otro factor determinante es el daño secundario que resulta de las lesiones isquémicas y traumáticas del sistema nervioso central, que pueden reducir la recuperación de la plasticidad al aumentar la extensión del daño por la lesión original. Es posible que la plasticidad no pueda seguir el ritmo de la degeneración progresiva del SNC. En enfermedades como el Alzheimer, las manifestaciones clínicas pueden volverse obvias cuando se produce la descompensación de la plasticidad.

Factores neurotróficos y plasticidad cortical. La corteza del adulto sufre cambios plásticos que dependen de la actividad neuronal. Las neurotrofinas y sus receptores juegan un papel en esta plasticidad. Los efectos rápidos y opuestos del factor neurotrófico derivado del cerebro y el factor de crecimiento nervioso sobre la organización funcional de la corteza adulta en la rata indican que las neurotrofinas pueden modular la actividad dependiente de estímulos en la corteza adulta. También sugieren un papel de las neurotrofinas en la regulación de la plasticidad cortical adulta. El conocimiento actual permite cierta manipulación de la plasticidad y la inducción de cambios funcionales beneficiosos para la visión.

Base molecular de la plasticidad axonal. GAP-43 juega un papel importante en la plasticidad axonal al guiar los conos de crecimiento en lugar de apoyar el alargamiento axonal. La molécula GAP-43 es clave para iniciar el crecimiento de axones, mientras que otros genes son necesarios para desarrollar un programa regenerativo completo. La adición del gen GAP-43 puede inducir la formación de plexos ramificados típicos del crecimiento de brotes.

Enfoques para la regeneración y reparación del SNC. Se están utilizando varios métodos para facilitar la regeneración y reparación del SNC. Estos incluyen el uso de terapias biológicas como células madre, terapia génica, vacunas y anticuerpos. Otros enfoques incluyen la nanobiotecnología, la aplicación de campos electromagnéticos, la optogenética, los productos farmacéuticos y la oxigenación hiperbárica. La ingeniería de tejidos puede implicar el suministro de células encapsuladas y el suministro de biomoléculas en nanoesferas / microesferas poliméricas e hidrogeles para la regeneración nerviosa (07). Las células madre se pueden combinar con otras biomoléculas. La estimulación de la remodelación neurovascular mediante la mejora de la angiogénesis, la neurogénesis, la oligodendrogénesis y el brote axonal —todos actuando en conjunto— puede mejorar la recuperación funcional después de una lesión cerebral traumática (45).

Las terapias biológicas para facilitar la regeneración del SNC se muestran en la Tabla 2 y los enfoques farmacéuticos se muestran en la Tabla 3.

Tabla 2. Terapias biológicas para la regeneración del SNC

Trasplante de andamios biológicos vivos
Terapia celular con células somáticas no neuronales.
Terapia con células madre

• Células madre embrionarias (ESC)
• Células madre adultas: células madre hematopoyéticas (HSC), células madre mesenquimales (MSC)
• Células madre pluripotentes inducidas (iPSC)
• Células madre neurales (NSC)

Células progenitoras de la retina (RPC)
Terapia de genes

• Transferencia de genes mediada por vectores para la liberación de factores neurotróficos
• Trasplante de células modificadas genéticamente para liberar factores neurotróficos.

• Vacuna contra inhibidores del crecimiento de neuritas después de una lesión de la médula espinal
• Inmunoterapia para inhibir la respuesta inflamatoria a la lesión de la médula espinal

Tabla 3. Enfoques farmacéuticos para facilitar la regeneración del SNC

• Anticuerpos anti-Nogo-A
• Inhibidores Rho-ROCK

• Aplicación local de condroitinasa en el sitio de la lesión.

Moléculas de guía de axones
Modulación farmacológica de las vías de transducción de señales.

• Potenciadores cíclicos de AMP
• Inhibidores de la vía de la fosfoinositido 3-quinasa
• Inhibidores del receptor de trifosfato de inositol
• Vía de transducción de óxido nítrico-guanosina-monofosfato cíclico

Agentes que promueven la regeneración

• Proteína morfogenética ósea 7
• Ligandos de inmunofilina
• Factores neurotróficos
• Ácido retinoico
• Simvastatina

Agentes que mejoran la remielinización

• Fampridina
• Anticuerpos monoclonicos

Fármacos que movilizan células madre intrínsecas
Combinaciones de fármacos con dispositivos y terapias biológicas.

Trasplante de andamios biológicos vivos. La ingeniería de microtisidos ha permitido la construcción de andamios de hidrogel-colágeno trasplantables que imitan los tubos gliales, que guían la migración de células progenitoras neuronales in vivo a lo largo de vías regenerativas y tienen el potencial de reparar el sistema nervioso central (41). El uso de biomateriales no solo puede aumentar la supervivencia de los injertos y su integración con el huésped en el SNC lesionado, sino que también facilita la entrega de bioproductos terapéuticos al área lesionada (09). Un ensayo de fase I para determinar la seguridad y eficacia del trasplante de andamio de colágeno de regeneración neuronal funcional en pacientes con lesión completa de la médula espinal aguda está en curso en China (ClinicalTrials.gov identifier: NCT02510365).

Terapia celular para la reparación del SNC. La terapia celular para los trastornos del SNC implica el uso de células de origen neuronal o no neuronal para reemplazar, reparar o mejorar la función del sistema nervioso dañado y generalmente se logra mediante el trasplante de las células, que están aisladas y pueden modificarse, p. , por ingeniería genética, cuando puede denominarse terapia génica.

Las células envolventes olfativas juegan un papel importante en la regeneración del SNC. En los ensayos clínicos, las células envolventes olfativas han producido algunos de los resultados más prometedores, incluida una recuperación funcional en humanos después de una lesión del SNC (20).

Células madre para la reparación del SNC. Las células madre están involucradas tanto en la reparación endógena como en las terapias propuestas para las enfermedades neurodegenerativas humanas, la esclerosis múltiple y la lesión de la médula espinal (40).

Las estrategias de reemplazo celular basadas en células madre tienen un papel terapéutico potencial después de una lesión cerebral traumática, pero el mecanismo por el cual las células madre producen su efecto (p. Ej., A través de la integración en los circuitos neuronales supervivientes, el apoyo neurotrófico local o la modificación del microambiente local para mejorar las células madre endógenas). regeneración y neuroprotección) queda por evaluar más a fondo. A clinical trial to gauge the safety and potential of treating children suffering from traumatic brain injury using intravenous hematopoietic stem cells derived from their own bone marrow started in 2008 ( 12 ). The clinical trial was based on laboratory and animal research indicating that hematopoietic stem cells can migrate to an injured area of the brain, differentiate into new neurons and support cells, and induce brain repair. Results showed that autologous bone marrow–derived hematopoietic stem cell therapy reduces the treatment intensity required to manage intracranial pressure and corroborates preclinical data that it attenuates the effects of inflammation in the early posttraumatic brain injury period ( 24 ).

Progress in stem cell biology has made it feasible to induce the regeneration of injured axons after spinal cord injury in experimental animals by transplanting neural stem cells. Neural stem cells generated from the embryonic stem cells can be developed into motor neurons by using special techniques and culture media with growth factors. In an open trial, intravenous injection of autologous bone marrow cells in conjunction with the administration of granulocyte macrophage-colony stimulating factor led to improvement in patients with complete spinal cord injury. Cell transplantation alone may not suffice for regeneration of the spinal cord and may need to be combined with other methods such as neurotrophic factors, blocking of inhibitors of neural regeneration, and modulation of inflammatory response following injury.

Human mesenchymal stem cells are easily obtained from adipose tissue and have neuronal differentiation potential similar to human bone marrow-derived stem cells, but with a better proliferation capacity that is an advantage for regeneration of the CNS ( 11 ).

A nonrandomized, single group, open-label, phase I clinical trial to evaluate the safety and efficacy of intrathecal delivery of autologous bone marrow mesenchymal stem cells for the treatment of spinal cord injury was completed in 2016 in Pakistan, but the results have not yet been published (ClinicalTrials.gov identifier: NCT02482194).

Human pluripotent stem cells (hPSC), with their capacity to be differentiated from almost all cells of the body, have a better translational potential than other types of cells. Combination of hPSCs with gene editing technologies for modification, eg, reduction of immunogenic response, has enabled promising clinical trials that will eventually demonstrate their therapeutic potential in tissue regeneration ( 01 ). Application of hPSCs for regeneration in neurologic disorders is still in animal experimental stage, but clinical trials in age-related macular dystrophy are promising.

Vaccines for neuroregeneration. Inability of neurons and axons to regenerate following injury to the nervous system is due mostly to the presence of myelin and oligodendrocyte-related inhibitors of neurite outgrowth. A vaccine-based approach can be used to circumvent this issue and promote axonal regeneration and repair following traumatic injury and other neurodegenerative disorders.

Gene therapy approaches for repair of CNS injuries. Neuronal regeneration can be induced by transgenic integrin expression. Integrins are nerve cell receptors that have been linked to the growth of nerve cells. Nerve cells taken from developing animals typically have high levels of integrins compared with those taken from adult animals. In experimental studies, the regenerative performance of adult neurons can be restored to that of young neurons by the gene transfer-mediated expression of a single alpha-integrin.

Gene therapy has the potential to overcome many of the difficulties associated with the delivery of antiscarring and neurotrophic substances to the site of an injury. Suitable and safe vectors for the delivery of genes need to be developed. Although there are several obstacles to making gene therapy practical and effective in humans, it has the potential to provide a different approach to the treatment of traumatic brain injury.

Simvastatin. In experimental studies, simvastatin was shown to enhance angiogenesis in the lesion boundary zone and hippocampus, which may occur in response to traumatic brain injury, and improve functional recovery ( 43 ). These beneficial effects on angiogenesis may be related to simvastatin-induced activation of the vascular endothelial growth factor receptor-2/Akt/endothelial nitric oxide synthase signaling pathway.

Carbon monoxide. Carbon monoxide is an endogenous biological molecule that transiently upregulates HO-1 expression and facilitates cellular communications in signaling pathways. It is nontoxic in healthy individuals and induces CNS regeneration by stimulating endogenous neural stem cells and endothelial cells to produce neurotrophic factors. This regenerative potential of carbon monoxide leads to the formation of functional adult neural circuits in CNS injury, multiple sclerosis, and Alzheimer disease ( 19 ).

Nanobiotechnology for regeneration and repair of the CNS. Nanotechnology is the creation and utilization of materials, devices, and systems through the control of matter on the nanometer (one billionth of a meter) scale. Nanobiotechnology is the application of nanotechnology in biotechnology leading to the development of nanomedicine ( 16 ). Various nanomaterials have been designed to self-assemble into nanofibers and provide the framework for regeneration of nerve fibers in experimental studies on animal models of spinal cord injury. In a nanofiber network, progenitor cells develop into neurons, not astrocytes, which form scar tissue and hinder regeneration. Silica or chitosan nanoparticles facilitate repair and functional recovery in spinal cord injury from breaches in neural membranes via rapid sealing and reassembly of the compromised ( 03 ).

Role of enriched environments. Considerable published evidence shows that living in an enriched environment alters dendrites and synapses in the brains of adult rodents. Studies on adult primates show that the brain is highly sensitive to experiential complexity, and living in laboratory housing may induce reversible decreases of synapses in brain regions important for cognition. Currently, enriched environment is the single most efficient plasticity and regeneration promoting paradigm. This has important implications for neurorehabilitation.

Role of electrical fields in CNS regeneration. Electrical fields have been generated over the brain and the spinal cord for diagnostic and therapeutic purposes. Cranial electrotherapy or transcranial direct current stimulation (tDCS) and repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS), ie, noninvasive stimulation of the cerebral cortex using externally applied magnetic fields, are used for treatment of neurologic disorders.

Exogenous application of electrical fields to cultured neurons to supplement endogenous results in enhanced sprouting of neurites and directed growth along the fields. This is the basis for suggesting the use of electrical fields in a regenerative therapeutic setting ( 11 ). The mechanisms of effect of electrical field are not well understood. However, the likely effect is the stimulation of release and/or production of various neurotrophic factors with AC stimulation, providing a nonspecific supportive environment for the regeneration of nervous cells. In contrast, direct current can provide directional attractive cues for regeneration, alter gene expression, and accelerate reinnervation. Axonal regeneration and improved quality of life may be achieved in spinal cord injury by using electrical field stimulation. A phase I clinical trial of human oscillating field stimulator in patients with spinal cord injury has shown that it is safe, reliable, and easy to use. The stimulation provides significant improvement in sensation and improved motor scores in some cases compared to historical data for untreated patients. A physiological level of electric stimulation can be used to control directional recruitment of neural stem cells in a spinal cord slice culture model, suggesting potential for clinical use of electrical fields to optimize stem cell grafting in vivo for CNS injuries ( 08 ).

rTMS and tDCS show promise for repairing injured neural circuits. rTMS presents a unique opportunity to modulate brain excitability and plasticity in a precisely controlled manner, but there is need for determining how rTMS can be applied following neurotrauma to promote regeneration and rehabilitation of neural circuits ( 31 ).

Optogenetics for CNS repair. After axonal injury, the conserved second messenger cyclic adenosine monophosphate (cAMP), which is produced by an enzyme called adenylyl cyclase, has the capacity to promote axonal regrowth but pharmacological strategies have failed to activate it. An experimental study has shown that this can be achieved by optogenetics, ie, light inducible protein activation using a special form of adenylyl cyclase to modulate the production of cAMP in cells expressing this enzyme by the use of blue light ( 44 ). This optogenetic method can promote the selective regeneration of refractory axons in a living vertebrate.


Intrinsic control of axon growth

Intrinsic growth ability of CNS neurons is developmentally regulated

Is the rate and extent of axon growth dependent purely on extracellular signals and substrates, or does it also depend on the intrinsic state of the neuron? This is a critical, though largely unanswered, question in research on axon growth and regeneration. Embryonic CNS neurons can regenerate their axons quite readily, but they lose their capacity to regenerate with age (Schwab and Bartholdi 1996 Fawcett 1997). For example, in the spinal cord, axons lose the ability to regenerate between P4 and P20 (Kalil and Reh 1982 Reh and Kalil 1982 Saunders et al. 1992). This developmental loss of regenerative ability has generally been attributed to the maturation of CNS glial cells, both astrocytes and oligodendrocytes, and to the production of CNS myelin, all of which strongly inhibit regenerating axons after injury (Schwab and Bartholdi 1996). Embryonic neurons also develop responsiveness to myelin-associated inhibitors through this period (Bandtlow and Loschinger 1997). In experiments in which a PNS nerve graft (David and Aguayo 1981 Bray et al. 1987) or anti-myelin neutralizing antibodies (Huang et al. 1999) or removal of proteoglycans associated with reactive astrocytes (Moon et al. 2001) allow axons to circumvent contact with these inhibitory CNS glia, however, only a few percent of axons regenerate, and functional recovery typically proceeds remarkably slowly. For example, RGCs take 2 mo to regenerate through a peripheral nerve graft (Aguayo et al. 1987 Bray et al. 1987). These experiments indicate that an inhibitory environment is likely only part of the explanation.

Are the neurons themselves partly responsible? Axons from P2 or older hamster retinas have lost the ability to reinnervate even embryonic tectal explants (Chen et al. 1995). Purkinje cells in cerebellar slices show a similar age-related inability to re-extend axons out of cultured slices (Dusart et al. 1997). This suggests that changes in a CNS neuron's intrinsic ability to grow could also explain this developmental loss of regenerative ability. The lack of postnatal neurons to re-extend their axons might also be explained by the development of glial cells, however, which are largely generated postnatally. Therefore the ability to separate neurons from CNS glia remains critical to determining whether CNS neurons actually change in their intrinsic axon growth ability during development.

By purifying neurons away from nearby glia at various developmental stages, we recently showed that neonatal RGCs undergo a profound, irreversible loss in their intrinsic ability to regenerate their axons (Goldberg et al. 2002b). When cultured in strongly trophic environments in the complete absence of CNS glia and at clonal density, embryonic RGCs extend axons up to 10 times faster than postnatal RGCs. The evidence for this decreased growth ability being intrinsically maintained is twofold. First, we found that embryonic RGCs grew at a faster rate than postnatal RGCs in a variety of environments that should facilitate growth, including in media containing neurotrophic factors, in media conditioned by cells from the embryonic visual pathway, and after transplantation into developing pathways in vivo. In all cases, embryonic RGCs extended their axons at rates substantially higher than did the postnatal RGCs, suggesting that any extrinsic growth-promoting environment is dependent on an intrinsically set maximal growth rate. Second, we found that RGCs purified from either embryonic or postnatal ages, and cultured away from all of the other cell types with which they normally interact, retained their faster or slower growth phenotypes, respectively. Therefore the difference in the abilities of embryonic and postnatal RGCs to elongate axons is not dependent on continued signaling by neighboring cell types, but is intrinsically maintained.

Do these neurons lose their axon growth ability as the result of intrinsic aging? Embryonic RGCs aged up to 10 d in purified cultures, to the age they would decrease their axon growth ability in vivo, continue to elongate their axons rapidly, suggesting that the change in axon growth ability is signaled by an extrinsic cue (Goldberg et al. 2002b). The decrease in axon growth ability occurs sharply at birth during the period of target innervation, but to our surprise E20 RGCs cocultured with superior collicular slices retain their rapid axon growth ability, suggesting that target contact is responsible for this change. We similarly tested optic nerve and retina, and found that only retinal maturation is sufficient to induce the developmental decrease. We went on to test both soluble and contact-mediated cues from the three major cell types that contact RGCs in the retina—amacrine cells, bipolar cells, and retinal glia—and found that only amacrine cell membranes, but not amacrine cell conditioned media, induced E20 RGCs to take on the slower postnatal phenotype. Therefore a membrane-associated cue from these pre-synaptic amacrine cells signals embryonic RGCs to decrease their axon growth ability, but once this signal is sent, the loss is permanent—removal of the amacrine cells does not allow the RGCs to speed up again.

Does dendrite growth ability replace axon growth ability?

Why would a presynaptic cell type signal these CNS neurons to decrease their intrinsic axon growth ability? Remarkably, at about the same time that neonatal RGCs lose their ability to rapidly elongate axons, they gain the ability to rapidly generate dendrites (Goldberg et al. 2002b). This increase in dendritic growth ability is not the result of intrinsic aging, but is similarly signaled by a retinal cue. Therefore retinal cues trigger neonatal RGCs to irreversibly switch from an axonal to a dendritic growth mode. We hypothesize that neurons within the inner nuclear layer, which normally relay visual signals from the photoreceptors to RGCs, form synapses onto RGC dendrites at this time, and may signal RGCs to put more energy into expanding their local dendritic connections. Whether the increase in dendritic growth ability and decrease in axon growth ability are the result of the same signal is not addressed by these data (Goldberg et al. 2002b). Are other types of CNS neurons signaled during development to undergo a similar switch? To directly address this question, methods to purify and culture other populations of CNS neurons will need to be developed.

An interesting implication of these data is that the control of axon versus dendrite growth may be largely intrinsic, rather than determined by separate extracellular cues. Axons and dendrites appear to respond to many, or possibly all, of the same growth and guidance signals (for example, see McAllister et al. 1995 Polleux et al. 2000 Xu et al. 2000). It is unknown whether some of the signals found previously to increase dendrite outgrowth, such as bone morphogenic protein-7 (for review, see Higgins et al. 1997), actually modulate the growth mode of the neuron from axonal to dendritic, rather than stimulating dendritic growth cones preferentially. Many of the previous studies that have shown that presynaptic cell types stimulate dendritic growth (for example, see Nedivi et al. 1998) may reflect a switch in the neurons from axonal to dendritic growth modes, after which the neurons extend dendrites in response to growth signals already present. Our findings therefore suggest that the ability of neurotrophic factors to stimulate axon and dendrite growth may strongly depend on whether a neuron is an axonal or dendritic growth state, and raise the question of the identity of the extracellular signal that induces a dendritic growth mode (Goldberg et al. 2002b).

What molecular changes underlie the developmental loss in rapid axon growth ability?

In response to this amacrine cell-associated cue, RGCs could gradually increase expression of genes that limit axon growth or decrease expression of genes necessary for faster axonal elongation, or both. Almost any of the pathways discussed above—the motor and clutch in the growth cone or the supply of parts fueling process extension—could therefore be regulated at this intrinsic level. For instance, in the developing chick, RGCs lose axon growth responsiveness to laminin either by down-regulating the laminin receptor integrin α6β1 (Cohen et al. 1989 de Curtis et al. 1991 de Curtis and Reichardt 1993), or by down-regulating the activation of such integrins (Ivins et al. 2000), although they continue to respond to laminin-2 (merosin Cohen and Johnson 1991). At least for mammalian RGCs, such changes are not responsible for the observed decrease in growth ability, as postnatal RGCs continue to be responsive to laminin-1, as well as a variety of other substrates, and laminin-2 is no more effective than laminin-1 in promoting postnatal RGC axon growth (Goldberg et al. 2002b). Similarly, a difference in trophic receptor levels or responsiveness to trophic signals could explain these differences. For example, depolarization rapidly elevates TrkB receptors on the surface of CNS, but not PNS neurons (Meyer-Franke et al. 1998 Du et al. 2000). Exogenously elevating TrkB levels, however, fails to increase P8 axon growth rates to embryonic levels (Goldberg et al. 2002b). Furthermore, a simple down-regulation of a single receptor cannot account for the change because postnatal RGCs fail to rapidly extend axons in response to all tested axon growth-promoting stimuli and substrates. The anti-apoptotic protein Bcl-2 was proposed as an intrinsic genetic switch that decreases axon growth rate by RGCs (Chen et al. 1997), but Bcl-2 overexpression by purified RGCs in culture neither promotes axon growth nor enhances axon growth in response to neurotrophic signaling in vitro or in vivo (Goldberg et al. 2002b), a result consistent with other findings (Greenlund et al. 1995Michaelidis et al. 1996 Chierzi et al. 1999 Goldberg and Barres 2000Lodovichi et al. 2001).

A related question is, what molecular mechanisms could dictate a neuron's axonal or dendritic growth mode? As mentioned above, many of the dendrite “growth stimulators” may actually act via enhancing the neuron's dendritic growth or differentiation mode. Further candidates may come from a better understanding of how axons and dendrites become differentiated. The most useful model for axon and dendrite differentiation has come from studies of cultured embryonic hippocampal neurons by Banker and colleagues over the last two decades. In vitro, these neurons initially extend multiple equivalent neurites over the course of 5–7 d one becomes the faster growing axon and the rest differentiate into shorter, thicker dendrites (Dotti et al. 1988). Although such a delayed differentiation of axons and dendrites has not been observed in vivo, this model has been enormously fruitful for discerning how axons and dendrites are constructed. For example, microtubules in axons and dendrites point in opposite directions—in axons, the microtubules all have their plus ends pointed away from the cell body in dendrites, microtubules are oriented in both directions. Initially, however, the undifferentiated neurites all have plus-end-distal axon-like microtubules minus-end-distal microtubules are steadily added to dendrites on neurite differentiation (Baas et al. 1988, 1989). A microtubule motor protein, CHO1/MKLP1, is responsible for this later minus-end-distal transport, and subsequent differentiation such as the dendritic predominance of golgi and ribosomes discussed above is also lost if CHO1/MKLP1 is depleted (Yu et al. 2000). Therefore, CH01/MLKP1 is one interesting candidate for helping to induce the axon to dendritic switch.


Chapter 23 Summary

Neurons in the developing brain must integrate a variety of signals to determine where to send their axons, what cells to form synapses upon, how many synapses to make and retain, and whether to live or die. A remarkable transient cellular specialization, the growth cone, is responsible for axon growth and guidance. Growth cones explore the embryonic environment and determine the direction of axon growth as well as recognizing appropriate targets. Their motile properties allow growth cones to approach, select, or avoid a target according to modulation of the actin and microtubule cytoskeleton by numerous signaling mechanisms, many of which involve changes in intracellular Ca 2+ . The instructions that elicit growth cone responses come from adhesive, chemotropic, chemorepulsive, and trophic molecules. These molecules are embedded in the extracellular matrix, found on cell surfaces, or secreted into extracellular spaces. Their cues ensure that coherent axon pathways are formed and prevent inappropriate connections. Adhesive, attractive, and repulsive molecules also influence the differentiation of growth cones into synapses. Further signals are transmitted by neurotrophins, molecules made by neuronal targets in small quantities that bind to a variety of receptors to elicit distinct cellular responses. Neurotrophic influences&mdash cell survival or death, process growth, and modulation of synaptic activity&mdashhelp determine which neurons remain in a neural circuit, how they are connected, and how they continue to change. Defects in the early guidance of axons or subsequent trophic regulation of synaptogenesis have been implicated in a variety of congenital neurological syndromes and developmental disorders, and neurotrophic dysfunction in the adult CNS may underlie degenerative pathologies such as Alzheimer&rsquos and Parkinson&rsquos diseases.


Although many nerve fibres travel considerable distances as they develop, the motor axons that carry signals from the central nervous system to various muscles throughout the body must complete the neuronal equivalent of the Oregon Trail. Remarkably, these motor axons usually reach their targets and understanding how this happens has motivated generations of developmental neurobiologists.

The discovery of axon guidance molecules in the 1990s represented a major breakthrough in our efforts to understand how axons manoeuvre through the body to reach their final targets (Evans and Bashaw, 2010). Just as landmarks helped the early pioneers navigate their way along the Oregon trail to the western frontier of the US, guidance molecules provide axons with directions to their destination. Unfortunately, as with the pioneers, the survival of the neurons often depends on their axons making it to their final destination.

It has been hypothesized that intermediate targets might also provide such support en route, which has the effect of eliminating axons that stray off the trail early on (Wang and Tessier-Lavigne, 1999). However, in vivo evidence for this model has remained scarce. Now, in eLife, Zhong Hua, Philip Smallwood and Jeremy Nathans of the Johns Hopkins University School of Medicine present new evidence linking the arrival of motor axons at intermediate targets with neuronal survival (Hua et al., 2013).

Muscles in the limbs receive input from neurons in the lateral motor column of the spinal cord. These neurons are further divided into lateral and medial groups, and although the axons projecting from these neurons leave the spinal cord together, their paths diverge within the limb to target dorsal and ventral muscles respectively (Figure 1A). Axons at this branching point must decide which region of the limb to enter, and then continue growing to reach all the muscles that control the movement of that limb. So how do the axons decide which road to take? The answer lies in the combinations of axon guidance signals provided by the developing limb, which give specific directions about where each axon should and should not grow (Bonanomi and Pfaff, 2010). In the absence of these signals, a dorsal axon might accidentally travel to the ventral muscles, or vice versa, resulting in what is called a guidance phenotype (Figure 1B Helmbacher et al., 2000 Huber et al., 2005 Luria et al., 2008).

Motor axons usually reach their target, but sometimes they lose their way or stop growing and die.

(A) Two groups of neurons in the lateral motor column of the spinal cord target the developing limb. Although they leave the spinal cord together, their paths later diverge, with the neurons in the lateral group (green) innervating the dorsal (D) musculature and the neurons in the medial group (purple) innervating the ventral (V) musculature. Guidance molecules ensure that both sets of neurons reach the correct target. (B) In the absence of certain guidance molecules, one set of neurons might arrive at the wrong target. This defect is known as a guidance phenotype. (C) Hua et al. have discovered a pure stalling phenotype in which motor axons belonging to neurons in the lateral group set out on the correct path but stop growing, which results in the death of these neurons in the spinal cord.

When an axon encounters a guidance signal, it must choose to continue growing straight ahead, make a turn, or perhaps stop altogether. The decision is made within a specialized structure at the tip of the growing axon called the growth cone. How the growth cone actually responds to axon guidance signals remains poorly understood, but recent research into planar polarity proteins has unexpectedly uncovered a possible mechanism.

Planar polarity proteins help ensure that cells are properly aligned with their surrounding tissue (Wang and Nathans, 2007). As would be expected, the absence of planar polarity proteins impairs the formation of tissues that rely on cell alignment, such as hairs on the surface of our skin. However, the absence of Frizzled3 (Fz3)—a planar polarity protein that acts as a receptor in the well-known Wnt signalling pathway—also leads to serious defects in the central nervous system, notably a complete absence of many nerve tracts (Wang et al., 2002). These phenotypes seem to be caused by changes in the ability of growth cones to turn towards Wnt signals (Lyuksyutova et al., 2003 Shafer et al., 2011), confirming that planar polarity proteins ‘give directions’ to the axons, just like axon guidance molecules do.

In the case of motor neurons, Hua et al. find an unusual type of defect in Fz3 mutant mice. Through a detailed analysis of innervation patterns in the limbs, they show that the absence of Fz3 causes axons that should travel to the dorsal muscles to instead stall at the branch point (Figure 1C). Thus, these axons follow the right path but stop growing, likely because their growth cones cannot figure out which way to go. This stalling phenotype is fundamentally different from previously described guidance phenotypes, where the axons do eventually reach a target, albeit the wrong one.

Moreover, the stalling defect has a surprising consequence. When an axon fails to reach its final destination, the neuron in the lateral motor column to which it belongs actually dies. However, these neurons die two days earlier than expected. This suggests that they die because they do not receive support from an intermediate target: in other words, the axons never make it to the gas station to re-fuel.

Though axon stalling has been observed in other mouse mutants, this is a rare example where pure stalling is tied to cell death, providing important in vivo evidence that axons receive intermediate survival cues during their journey. Intriguingly, other cranial nerves also stall in Fz3 mutants, yet only a subset show an increase in cell death, suggesting that not all nerves require intermediate support. Are certain motor axons predisposed to require such support? Or do the unaffected motor axons rely on other members of the Frizzled family for their survival? What are the survival signals themselves, and do the same proteins also help axons choose their route?

It will also be important to determine how the failure of motor axons to extend fully into the limb fits with Fz3’s known role in guidance: are the nerves stalled because they don’t know which way to turn, or could this be an effect on the ability of the axon to grow at all? Understanding how all these pathways coalesce to produce a stereotyped trail of axon growth is proving to be an exciting path of research—thankfully, it does not involve the same perils.


Ver el vídeo: OSSM Neuro Chapter 23 - Axon Guidance (Agosto 2022).