Kaip "atsistoti" ritmiškai kvėpuoti gimdant

Kaip pasigaminti kinetinį smėlį (Liepa 2019).

Anonim

Bendra išraiška "taip paprasta, kaip kvėpavimas" yra iš tikrųjų klaidinanti. Kvėpavimas, kaip tai daro didesni stuburiniai gyvūnai, yra sudėtinga biologinė funkcija, apimanti daugelį rūšių neuronų. Jis reikalauja, kad chemosensoriniai neuronai suvoktų deguonies ir anglies dioksido lygį kraujyje ir motorinius neuronus, kad valdytų raumenų judesius. Jai taip pat reikia specialių neuronų, kad būtų galima nustatyti teisingus kvėpavimo ritmus gimdymo metu ir vėliau jį išlaikyti visą gyvenimą. Mechanizmas, pagal kurį šių skirtingų neuronų grupių veiksmai smulkiai organizuojami, siekiant sukurti tikslius kvėpavimo ritmus, išliko paslaptimi.

Savo Laboratorijoje Baylor College of Medicine dr. Huda Zoghbi ir jos kolegos atrado dvi neuronų linijas, kurios veikia kaip "laidininkai" šios išskirtinės biologinės simfonijos. Jie koordinuoja ir perduoda sensologinę informaciją, gautą iš įvairių chemosensorių, į ritmo geninius centrinės kvėpavimo takų neuronus, kad nustatytų ir palaikytų optimalius kvėpavimo ritmus, kurie ypač svarbūs naujagimiui išgyventi.

"Gebėjimas moduliuoti kvėpavimo ritmus, reaguojant į deguonies ir anglies dioksido lygio pokyčius, yra gyvybiškai svarbus žmonėms ir kitiems gyvūnams išgyventi", - teigė Zoghbi, kuris yra "Baylor" molekulinės ir žmogaus genetikos ir pediatrijos bei neurologijos profesorius. Teksaso vaikų ligoninės Jano ir Dan Dunkano neurologinių tyrimų instituto direktorius. "Vystymo metu dauguma įtampų nervų grandinių gali praktikuoti gimdoje ir tiksliai sureguliuoti jų veiklą remdamiesi gaunamais atsiliepimais."

Neuronų grandinės, susijusios su kvėpavimu, turi būti tiksliai prijungtos ir pasirengusios atlikti nepriekaištingai gimdant, be išankstinės praktikos. Be to, esant sudėtingoms būsimoms gyvenimo sąlygoms, pvz., Kai deguonies lygis yra žemas (dideliu aukščiu ar fizinio krūvio metu) arba kai kaupiasi anglies dioksido (lėtinės obstrukcinės plaučių ligos, astmos ir miego apnėjos), nervų grandinės turi greitai kompensuoti darant kvėpavimą giliau ir greičiau.

Pagrindiniai reguliavimo genai per transkripcijos veiksnius prižiūri neuronų populiacijų vystymąsi ir koordinuoja greitą atsaką tarp jų. Šie genai kerta visą užpakalinę mąstymą, sudarant šachmatų šabloną, kuris yra genetinis planas, ant kurio yra pastatytas neuroninis kvėpavimo takas.

"Suprasti, kaip šie pagrindiniai genai sukuria kvėpavimo grandinę, gali būti vertingos informacijos apie tai, kaip neuroninės kvėpavimo grandinės" pradeda judėti "gimus", - sakė Zoghbi, kuris taip pat yra "Howard Hughes" medicinos instituto tyrėjas. "Be to, ji taip pat galėtų pasiūlyti pagrindines įžvalgas apie kvėpavimo sutrikimą priešlaikinio kūdikio ir kūdikių, mirusių dėl staigaus kūdikių mirties sindromo (SIDS)".

Kvėpavimo grandinės sukūrimas

Atoninis homologas 1 (Atoh1) yra vienas iš tokių reguliavimo genų. Dešimtmečius mokslininkai bandė suprasti, kodėl pelės, kuriuose nėra geno Atoh1, miršta nuo kvėpavimo sutrikimo gimimo metu. Atoh1 yra išreikštas visą visą priekinės galvos ilgį ir reikalingas tinkamam kelių neuronų genotipų vystymui šioje smegenų srityje.

Ankstesnis Zoghbi laboratorijoje atliktas tyrimas parodė, kad kai Atoh1 buvo specialiai išbrauktas iš retrotrapezoidinių branduolių (RTN), grupė neuronų, esančių apatinėje pažastų dalių dalyje, pelėms negalėjo pagerinti kvėpavimo ritmo, reaguodama į aukštą lygį anglies dvideginio, ir, be abejo, mirė tik keletas naujagimių pelių. Tai leido manyti, kad kiti Ator1 ekspresuojantys neuronai turi vaidinti svarbų vaidmenį kvėpuoti ir motyvuoti "Zoghbi" laboratoriją studijuoti kitus "Atoh1-lineage" neuronus. Naudodamiesi genetinių linijų nustatymo metodika, Meigas van der Heijdenas, Zoghbi laboratorijos absolventas ir pagrindinis autorius ant popieriaus, nustatė, kad parabrachialiniai kompleksiniai neuronai buvo specialiai suaktyvinti, kai deguonies ir anglies dioksido lygiai buvo pakeisti, todėl jie gali atlikti svarbų vaidmenį reguliuojant kvėpavimą stresinėmis sąlygomis.

"Atoh1 buvo specialiai pašalintas iš viršutinės rombinės lūpos srities, viršutinio galinės smegenų dalies, kurioje gimė PBC neuronai, " - sakė van der Heijdenas. "Nors pelės, kurioms nėra parabrachialinių kompleksinių neuronų, išgyveno ankstyvuoju naujagimiu, jie parodė keletą nepakankamo kvėpavimo kontrolės požymių, tokių kaip ritminiai nelygumai ir apnėja. Be to, šios pelės negalėjo kvėpuoti greičiau ar giliau, kai deguonis buvo mažas. Kartu tai parodė parabrachialinį kompleksą Neuronai reikalingi tinkamam kvėpavimo tinklui subręsti. "

Kiti tyrėjai paklausė, kaip parabrachialiniai kompleksiniai neuronai perduoda jutimo informaciją į centrinę kvėpavimo grandinę - ar jie aktyvina pakartotinius ritmo geninius neuronus ar tiesiogiai veikia raumenis? Naudojant naujai sukurtą pelių liniją, kuri atskiria "Atoh1" linijas iš kitų galūnių neuronų, jie padarė išvadą, kad parabrachialiniai kompleksiniai neuronai veikia netiesiogiai, selektyviai bendraujantys su ritmo neuronais ir RTN neuronais.

Be to, autoriai parodė, kad parabrachialinio komplekso arba RTN neuronų nenormalus vystymasis apibendrino nespecifinius kvėpavimo kontrolės aspektus, išryškėjusius priešlaikinius kūdikius. Tai rodo, kad nors šie genai reagavo į skirtingus jutimo signalus, jie yra svarbūs tarpininkaujant greitesniam kvėpavimo ritmams. Pelėms, kurioms kartu buvo skiriamas Atoh1, tiek parabrachialiniame komplekse, tiek RTN neuronuose pasireiškė sunkios kvėpavimo problemos ir mirė gimstant. Kartu šie rezultatai parodė, kad nors parabrachialiniai kompleksai ir RTN neuronų ląstelių tipai gali šiek tiek kompensuoti vienas kito praradimą, jie turi veikti kartu, siekiant užtikrinti gyvulio išlikimą.

Remiantis šiuo tyrimu, autoriai pasiūlė modelį, pagal kurį pokyčiai deguonies ir anglies dioksido lygiuose (pavyzdžiui, gimstant arba dėl didelio aukščio ir pratybų) nustatomi chemosensorinių neuronų ir perduodami parabrachialiniam kompleksui ir RTN neuronams. Savo ruožtu šie neuronai šią informaciją perduoda ritmogeniniams neuronams, aktyvina motorinius neuronus ir raumenis ir leidžia gyvūnui greitai ir giliai kvėpuoti įkvėpti daugiau deguonies.

Tyrimas yra galimas kvėpavimo sutrikimų, atsiradusių priešlaikiniams kūdikiams, priežastis ir kodėl atrodytų, kad sveiki kūdikiai miršta nuo SIDS.

Kūdikiai, keldantys genų mutacijas, reguliuojančias šių dviejų neuronų genotipų vystymąsi ir veikimą, greičiausiai padidins kvėpavimo sutrikimų riziką gimdymo metu. Be to, kadangi šiuose naujagimiuose neuronų kvėpavimo tinklas būtų nesubrendęs, net nedideli aplinkos deguonies ar anglies dioksido kiekio pokyčiai pasibaigtų.

Šis tyrimas siūlo puikius molekulinius ir ląstelinius tikslus, siekiant toliau tirti, kaip disfunkciniai "Atoh1" genai gali prisidėti prie ankstyvo ir didelės rizikos kūdikių kvėpavimo nepakankamumo. Suprasti svarbiausius kvėpavimo takų mazgus, kurie yra svarbūs stipriai kvėpuoti, yra pagrindinis žingsnis gydytojams suprasti, kas prisideda prie kvėpavimo nepakankamumo naujagimiams ir ateityje užkertančių kelią SIDS mirtys.

Skaityti visą šio darbo informaciją žurnale eLife .