振荡器功能恢复后脊髓再生八目鳗
约瑟夫·艾尔斯
生物学系,
海洋科学中心
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东,Nahant,马01908
Ayers, j .(1989)振荡器功能恢复后脊髓再生八目鳗。:细胞和神经元振荡器。j . Jacklet (ed)。马塞尔·德克,纽约,349 - 383页。
表的内容
我。介绍
神经元振荡器受到正在进行调制节间和节段命令,协调和感觉输入(平斯克和艾尔斯,1983)。在许多情况下,神经元振荡器可以恢复功能再生后从中央和周边病变消除这些外在moduation来源(Rovainen, 1976;selz, 1978;释放,de Medinaceli和怀亚特,1985)。一般再生之间的中枢神经系统和外围和效应器官发生在大多数动物群体,但部分中枢神经系统之间的再生能力是迷失在哺乳动物(Eidelberg, 1981;尼克尔斯,1982;Seil,赫伯特和卡尔森,1987)。这损失不是由于一个哺乳动物的轴突再生的内在能力(Aguayo,大卫和布雷1981),但可能是由于目标激活内在“停止”机制的再生神经元相似这终止轴突伸长在开发过程中(里和Lasek, 1987)。在无脊椎动物和脊椎动物低是中枢神经系统轴突再生,可能更为普遍,在某些情况下,导致功能恢复。最近的研究在一些低脊椎动物表示,复苏的一些行为,比如波动的(伯恩斯坦和Gelderd, 1970; Rovainen, 1976; Selzer, 1978; Borgens, Roederer and Cohen, 1981, Currie and Ayers, 1983; Sharma等艾尔。甚至1986)和动态(达菲,戴维斯和辛普森,1987)运动,脊髓横断后可能发生。什么没有任何模型所示的脊髓再生下行神经元的再生是如何导致行为复苏。行为恢复中枢神经系统损伤后至少需要两个前提的过程:(1)再生的升序或降序节间中间神经元损伤和(2)恢复interneuronal函数产生的再生神经元突触形成的(古思等艾尔。,1980)。
学生的再生传统上依赖解剖技术(1928年卡哈尔,Seil,赫伯特和卡尔森,1987)。诊断行为复苏,然而,需要运动分析再生和功能恢复的时间发生。说明如何再生导致行为复苏需要一个分析诊断能力的恢复常态的行为。恢复运动功能的试验后外围坐骨神经再生(坐骨函数索引)了河鼠(de Medinaceli释放和怀亚特,1982)。这个分析是基于大步从脚步声参数估计,并能量化康复周边病变以及测定神经生长促进剂的有效性(de Medinaceli等艾尔。1986)。人都试图抓住一个逃离小哺乳动物很快就会认识到这个试验在诊断的局限性向前运动。
我们的目标是开发一个试验能够区分密切相关的轴向波动的行为以及作为定量分析的行为在一个简单的脊椎动物模型脊髓横断后复苏,八目鳗。我们依赖于分析电影的自由表现动物的不同形式的波动的行为。使用这些正常行为作为标准然后比较它们的行为发生在再生标本从完整的脊髓横断后恢复。
七鳃鳗表现出复苏的几个行为脊髓横断后(Ayers等艾尔。,1980年,1981年)和提供机会以定量的方式解决经济复苏的潜在机制的确定神经元的功能(Rovainen, 1976;木头,科恩,1979;阴和selz, 1983;1984;马克尔selz, 1985;柯里,艾尔斯,1987)。七鳃鳗脊髓的分布式振动系统提供了一个示例运行在复杂的下行节间和当地的节段反射调制(Rovainen, 1979;Grillner等艾尔。,1986)。因此有可能评价复苏的背景下命令神经元(柯里和艾尔斯,1983),协调神经元(科恩,马克尔selz, 1986),中枢模式发生器(Grillner等艾尔。,1986)模型的电机系统的组织(斯坦,1978)。
二世。波动的行为的定量分析。
答:屈曲传播波的分析。
七鳃鳗表现出不同的行为,所有这些由横向轴起伏不定。为了描述波动的行为,我们开发了一个分析,使我们能够量化他们的动作的时机以及横向波动的振幅(Ayers等艾尔。1983)。逐帧分析依赖于数值分析电影的自发行为。电影预计在计算机数字化平板电脑和动物的形状数字化逐帧的基础上,如图1所示。
图1。的总结分析,在游泳的起始序列波动的行为。图1 a。归一化的图像自由游泳ammocoete幼虫。每个图片左边的数量是电影帧数。图1 b。从分析曲率参数确定:轨迹——从鼻子到尾巴的位置表示为体长的%;曲率- 1 /最适合圆半径曲率最大值。图1 c。学术的轨迹图1的图。 as a function of time. Closed circles indicate flexions to the left while open circles indicate flexions to the right.. Fig. 1d. Regression analysis of flexion waves illustrating the three parameters of timing diagrams. Fig. 1e. Graph of the curvature of flexions as a function of the locus where they are determined. Flexions are sorted on the basis of whether they occur in the head, mid-body (hatched area) or tail region. The numbers to the right of this diagram indicate the mean curvature of flexions observed in the mid-body region.
量化波动的行为是基于身体曲率(Ayers分析等艾尔。1983)。每组的点代表七鳃鳗的形状在一个给定的帧的电影是符合五分之一订单多项式和曲率的多项式进行了分析。我们定义了一个弯曲曲率极大值作为一个地区,我们分配给每一个弯曲轨迹地位百分之一的身体长度和曲率半径的倒数的最佳适合圆曲率极大值(图1 b)。当我们的轨迹图学术语作为时间的函数(图1 c),我们发现,每一方的学术传播下的身体从帧到帧和回归分析可以符合一条直线(图1 d)。我们定义了一个弯曲波作为一个有序集的学术传播一边和考虑这些功能单元的波动的行为。
图形的轨迹作为时间的函数(图1 d),我们可以估计几个弯曲波的动态参数。第一个参数,周期,波动频率的倒数,之间的时间间隔连续弯曲的鼻子拦截波相同的一面。传播时间是进步的时间弯曲波从鼻子到尾巴。在正常游泳传播时间相当于游泳的时期。异速生长的常数测定的每段身体长度的百分比,我们可以估计节间的延迟在游泳这是大约1%的总周期时间和节间的延迟和时期,节间的机械相位滞后。
我们游泳运动的振幅的测量是基于图的曲率弯曲波浪作为时间的函数或弯曲的轨迹。以这种方式绘制时,观察到一个长期有效的信封的弯曲曲率是每个七鳃鳗的行为特征(图1 e)。
表1。Ammocoete序列的计算参数如图1所示。
| 波 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
意味着 |
| 一边 |
l |
r |
l |
r |
l |
r |
l |
| 期 |
0.841 |
0.548 |
0.547 |
0.543 |
0.600 |
|
|
0.616 |
| 道具 |
0.903 |
0.620 |
0.603 |
0.595 |
0.606 |
0.679 |
0.628 |
0.665 |
| 傻瓜 |
1.074 |
1.131 |
1.101 |
1.095 |
1.010 |
|
|
1.082 |
| 延迟 |
7.43 |
5.10 |
4.96 |
4.90 |
4.99 |
5.59 |
5.17 |
5.45 |
| 阶段 |
0.0088 |
0.0093 |
0.0091 |
0.0090 |
0.0083 |
|
|
0.0089 |
|
|
|
|
|
|
|
|
左 |
正确的 |
偏见 |
| 头 |
|
0.322 |
-.513 |
0.546 |
-.512 |
0.506 |
-.497 |
-.508 |
0.473 |
1.075升 |
| 身体 |
-.266 |
0.450 |
者 |
0.498 |
-.417 |
0.455 |
-.432 |
-.379 |
0.466 |
1.230 r |
| 尾巴 |
非 |
0.516 |
-.563 |
0.560 |
-.539 |
0.540 |
|
-.571 |
0.536 |
1.065升 |
游泳参数的分析结果表中,表的每一列对应一个弯曲波(表1)。分析估计,传播时间,节间的相位滞后和传播时间的比率。表我的第一行(波)表示从左到右波数。第二行(侧)表示弯曲波是否向左向右(左)或(R)。第三行(时期)是计算循环周期(秒)波的估计从一开始就乘以弯曲波的同一边。第四行(道具)传播时间。第五行(屁股)是在时期传播时间的比率。第六行(延迟)是节间机械从传播时间延迟估计和异速生长的常数。第七行(阶段)是节间机械相位滞后(节间延迟/期)。我们觉得它有用海浪弯曲划分为那些发生在曲率身体的三个独立的区域。第八到第十排表我的平均曲率弯曲波的头(0 - 25%),身体(25 - 75%)和尾(75 - 100%)地区。在这张桌子,平均曲率计算的平均曲率值通过所有的学术发现波在指定的地区。我们也可以估算曲率的双边不对称,我们表达比弯曲的曲率的最在弯曲的。换句话说,一个双边不对称左1.5表明动物正在展示它的身体左边的1。5倍。这些表的参数形式的基础发展的量化游泳,区分不同的波动的行为和行为的诊断恢复脊髓横断后. .
图2。分析游泳行为在一个ammocoete幼虫(图2 a - b)和最近转变成人(图2 c - d)。图2 a和2 c是图形的轨迹弯曲波浪作为时间的函数如图1 d。图2 b和2 d图形弯曲曲率的波函数的轨迹在图1 e。
2。游泳行为的发展。
七鳃鳗是溯河产卵的种类和发展水生ammocoete幼虫生活在淡水泥浆管流。在5 - 7岁,这些滤食变质成寄生幼虫饲养阶段7月和9月之间的成年人。他们都开发新解剖特点如眼睛和抽油口,和重组的中枢神经系统。幼虫和成虫七鳃鳗有完全不同的生活方式。幼虫七鳃鳗是tube-dwelling滤食动物,而成年人是自由生活的寄生虫必须能够追求和捕获猎物。游泳一个期望,因此,他们的行为可能完全不同,这确实是我们发现我们的分析的基础上。的例子中游泳的幼虫和成虫七鳃鳗在图2。幼虫七鳃鳗通常游泳在一个相对恒定的速度持续期和曲率沿身体的长度。成人游泳另一方面更变量速度。成人七鳃鳗会大规模游泳,加速和减速。 Despite their speed variations the period of swimming stays relatively constant and more variability is observed in curvature.
图3。在蜕变发展游泳参数的变化。图3。直方图在ammocoetes游泳起伏的时期(上部面板:n = 84;意味着= 0.453;他= 0.151)和《变形金刚》(较低的面板:n = 102;意味着= 0.278;其中,= 0.125)。时间明显不同(p < 0.001)。图3 b。直方图ammocoetes弯曲波的传播时间(上部面板:n = 120;意味着= 0.544;他= 0.220)和《变形金刚》(较低的面板:n = 144;意味着= 0.344;其中,= 0.180)。传播时间明显不同(p < 0.001)。图3 c。直方图的节间的相位滞后(阶段)的弯曲波浪ammocoetes(上部面板:n = 86;意味着= 0.011;他= 0.012)和《变形金刚》(较低的面板:n = 106;意味着= 0.013;其中,= 0.003)。相位滞后不明显不同(p > 0.05)。图3 d。直方图mid-body曲率的学术ammocoetes(上部面板:n = 120;意味着= 0.0410;他= 0.127)和《变形金刚》(较低的面板:n = 147;意味着= 0.335;其中,= 0.116)。曲率不明显不同(p > 0.05)。
汇集数据时在ammocoetes游泳和变压器相比,显著差异中观察到的总体时间虽然相对时间是相似的。期间ammocoete游泳是明显不同于变压器游泳(图3)。的传播时间(图3 b)。相比之下,相对时间(图3 c)和mid-body曲率(图3 d)没有显著的不同。换句话说,脊髓时钟相位常数,但他们保持不同的时间。这种相似性相对时间和曲率占明显的相似性的幼虫和成虫游泳。
3所示。其他形式的游泳。
我们区分正常游泳和逃避游泳。逃跑的特色之一,在幼虫和成人游泳是一个深刻的下降期和大曲率参数的变化。换句话说游泳参数相当刻板印象在正常游泳和变得相当变量在逃避游泳。七鳃鳗也将尝试游泳时取出的水。这地面游泳非常相似和短时间内逃脱游泳和高曲率尾地区虽然波浪的传播是阻尼。换句话说海浪传播从吉尔地区到泄殖腔和频繁,尾体曲率在泄殖腔而不是简单地减少弯曲传播到尾部(j . Kinch未发表)。
d .其他类型的波动的行为
1。尾屈曲传播波。七鳃鳗表现出至少两个波动的行为结果的波动传播从鼻子到尾巴。第一个是爬行行为。水下爬行行为可能发生,但通常表现出当动物放在一个表面光滑的水。爬行运动往往比游泳动作慢得多,表现出更高的曲率。事实上,我们经常看到曲率是四倍的游泳运动(图4 d)的特点。
第三行为前后结果传播弯曲波浪是穴居的行为。挖掘包含三个组件,第一个就是游泳到衬底。一旦动物获得了购买的衬底,他们游泳运动的频率降低(图4)和增加弯曲的曲率波,特别是在头部区域(图4 b)。标本观察到在这个阶段的穴居经常假设C或L形状,与S形状的描述游泳。在这些运动中,似乎把尾巴和身体后头部区域基质。穴居的在第三阶段,横向波动停止标本似乎把自己变成头学术语的衬底(g . Eaholtz未发表)。
2。吻侧屈曲传播波。第二个类波动的行为发生在弯曲波浪传播从尾巴喙的鼻子。我们分类的行为时向后爬是观察到的最常见的标本正离开水或爬行。向后爬总是缓慢的最高行为与曲率通常发生在头部区域。
图4。其他形式的波动的行为。图4 a - b的推搡阶段分析变压器穴居。图4 c - d。分析变压器的向前爬行,放在湿水盘。期间注意高曲率范围表现出这种行为。图4 e-f。分析变压器向后爬。图4 g-h。厌恶采出量来响应分析横向挖掘吉尔地区ammocoete幼虫。外侧利用了帧3 - 4左右。 The dashed line indicates the reversing flexion wave.
3所示。扭转屈曲。的第三个主要类别的波动的行为由一个厌恶戒断行为发生在应对有害刺激头部区域。厌恶撤军的特点是一个弯曲波前传播从尾巴mid-body附近,然后从中期反转传播体尾和转换为一轮逃离游泳。厌恶撤军是最容易引起的横向挖掘吉尔地区,很少观察到当标本直接碰撞,墙上有一个水族馆。它往往使标本,转身游走。
图5。ammocoete复苏阶段的游泳行为。这个图在室温下恢复的标本检查(ca 21šc)。病变轨迹是由周围的黑暗点画轨迹表明= 25%图5 a - b第二阶段标本head-wagging行为的分析。头向左摇主要发生,不传播轨迹之外~ 35%。注意左侧尾屈曲传播波的发生在19到24帧的实现阶段2的说明。图5 c - d。分析,试图在第三阶段标本游泳。注意缺乏协调整个病变学术网站的传播。图5 e-f。分析协调在第四阶段标本游泳。图5 g-h。分析协调在第五阶段标本游泳
三世。分析和诊断的复苏游泳。
我们分析了再生使用行为及其行为的关系恢复,解剖和电生理技术。在我们的大多数实验中,标本受到完整的脊髓横断从口腔罩体长度的25%。
答:顺序事件的恢复游泳
游泳的行为复苏发生脊髓横断后发展缓慢,可以解决在几个不同的阶段基于功能transectees (Rovainen, 1976;艾尔斯等艾尔,1981;威尔伯,Margolin Ayers, 1987)。自发,敏锐地断掉的标本只能够快速的头摇运动发生在一个频率可以高于20赫兹(j . Kinch未发表)。身体的尾程度通常仍一瘸一拐地虽然孤立波弯曲和挣扎在某些情况下可以诱发的尾巴夹。第一阶段标本可以推动自己的头摇和经常撞到墙上的水族馆。当这发生在敏锐地切断了标本,他们倾向于继续headwag水族馆墙。复苏的初步迹象发生在标本能够引发一个尾波传播弯曲,头部离墙(斯科特•柯里未发表)。我们认为这样的标本已经达到第二阶段的复苏和建议此功能显示经济复苏的初期下行命令的游泳。第二阶段标本快速开发的能力引起多个尾波传播学术语达到第三阶段。在第三阶段标本,尾身体可以生成游泳起伏但前的身体通常继续头摇(图5 c - d)
在第四阶段的复苏,头部动作开始变得与尾巴的动作协调e-f见图5。这里学术传播不断从头到尾。这个节间的协调可以显示依赖于神经协调元素协调游泳存在脊髓时去除孤立的肌肉组织在该地区和肠道的横断面(Eaholtz, 1985)和协调的破裂可以观察到在隔离神经轴准备(科恩,马克尔selz, 1986)。因此,我们建议,实现阶段4代表节间协调系统的恢复功能(斯坦,1978;平斯克和艾尔斯,1983)。
b .扶正复苏在游泳。
第四阶段标本通常表现出一种双边曲率不对称双方身体的(表2)。换句话说,它们产生更大的振幅学术身体的一侧比另一个。也许因此,他们表现出一个重要的功能性赤字相对于重力无法维持他们的主要取向。第四阶段标本通常会卷而游泳和不能保持背侧。换句话说,第四阶段标本展览长期缺乏控制平衡的特点spinalized高等脊椎动物(Barbeau Rossingol, 1987)。
图6。复苏扶正行为在游泳。复原被确定诊断的时间百分比标本保持一边背长方向相对于重力在游泳。游泳在一个2分钟的时代在这张图,这一比例是确定三ammocoetes恢复13šc横断后在四个不同的时间。游泳时注意正确的能力逐渐恢复,但最终完全。
复苏的最后一个主要阶段发生,因此,当标本重新正确的在游泳的能力。逐渐复苏纠正行为的发生。我们监控的能力通过确定的时间比例,他们花背侧在游泳。第四阶段标本通常能够保持背侧只有50%的时间。换句话说他们的方向是随机的。如果一个图的时间比例,标本保持背侧为标本从第四阶段进展到第五阶段,就会发现,他们从随机定向进化能够保持背一面几乎100%的时间(图6)。这个复苏的能力往往伴随着一个消除双边曲率不对称,虽然标本与曲率不对称常常可以正确有效地(c .威尔伯,未发表)。
温度对复苏的影响
很偶然,我们发现恢复的时间游泳行为阶段5标本是取决于温度的标本在复苏过程中举行(艾尔斯和威尔伯,1986)。我们开发了一个控股设施二战地堡,维护一个全年的温度~ 13šc由于其热质量。标本在室温(~ 21šc)表现出一致的赤字如图5所示g-h。虽然他们的游泳运动协调和他们能够留下来背侧在游泳,他们极其快速的游泳运动相比,正常的标本。如果标本被允许恢复的掩体在保持较低的温度下(例如13šC),我们观察到样本恢复完全恢复时间后4到6个月的订单,他们成为indistingishable从正常动物(比较。图7和图2 a - b a - b)。
图7。复苏温度对游泳的影响参数。图7 a - b分析恢复游泳标本,恢复在减少温度(ca 13šc)。与正常的游泳运动ammocoete(图2 a - b)和一个样品在室温下恢复(图5 g-h)。图7 c。游泳到试样长度的关系正常ammocoetes(封闭的圆圈)。标本,在室温下恢复(21šc封闭广场)和标本恢复在减少温度(13šc开放圈)。注意,室温transectees表现出不同的关系减少温度transectees正常ammocoetes并没有什么区别”。图7 d。关系弯曲波传播时间的试样长度相同的三个类标本如图7所示。图7 e。关系的mid-body曲率弯曲波浪标本长度相同的三个类标本如图7所示的c。图7 f。关系的节间的机械弯曲波的相位滞后标本长度相同的三个类标本如图7所示。注意温度对复苏的影响是特定于游泳运动的时间。
重要的是要指出,许多参数直接关系到标本的大小所以任何复苏的定量分析必须考虑这个长度的依赖。标本中观察到的赤字,在室温下恢复是非常具体的时间游泳。标本在21š恢复整个的身体长度范围不同频率的游泳运动(图7 c),以及弯曲波的传播时间(图7 d)。动物相当与正常样本和样本以减少恢复温度,然而,在身体的曲率他们游泳期间实现(图7 e)和节间机械相位滞后(图7)。
d .诊断行为复苏。
回归分析允许我们评估预期的“正常”的任何参数值进行标本的一个给定的长度(无花果7氟)。我们可以因此表达恢复标本的平均值百分之一的“正常”的价值。表二世表示从波表中提取的平均参数(如表1)第四阶段部分ammocoete表示在图5中e-f中恢复过来。第一列显示测量参数。第二列是恢复的完整序列的平均值游泳。第三列的平均值百分数表示的期望值长度相同的标本(第四列),决定从回归系数表示在图7中氟。平均mid-body弯曲曲率和横向曲率偏差表示表示。
表二。诊断功能恢复
| 参数 |
恢复 |
%的控制 |
正常的 |
|
| 期 |
0.264 |
55.4% |
0.477 |
| 传播时间 |
0.362 |
71.1% |
0.509 |
| 传播时间/时期 |
1.370 |
125.7% |
1.090 |
| 机械节间的延迟 |
2.78 |
67.2% |
4.14 |
| 机械相位滞后 |
0.0106 |
121.9% |
0.0087 |
| 离开身体曲率 |
-0.203 |
47.1% |
-0.431 |
| 对身体曲率 |
0.309 |
71.7% |
0.431 |
| 横向偏差 |
1.52 r |
注意,这个样本的特征是一个时期的一半正常标本,但减少较小的传播时间。这将导致更大的节间的机械比预期正常标本相位滞后。平均身体两侧曲率降低但左边比右边导致高度assymetric弯曲波振幅。
上述方案适用于大多数的第四阶段标本,在室温下恢复。观察到的差异很大,然而,并不是所有的标本展览完全恢复,无论保持温度。变化的主要来源与双边不对称和传播的程度。这些不对称可以如此极端的复苏只涉及单边游泳运动。这方面的一个例子,图8 a - b所示。注意,这个标本是能够产生重复弯曲波浪的右侧的身体,但是没有交替左边。也要注意正确的结果从最初的尾波弯曲左边头部区域。
图8。双边曲率不对称导致双边对称再生吗?图8。图形轨迹的学术与时间的ammocoete能产生弯曲的波浪只有身体的一侧。图8 b。学术语作为函数的曲率图的弯曲轨迹。图8 c - d,游泳运动的相应分析急性脊髓半切术的左侧身体长度的25%。注意到两国弯曲。
我们认为,这表明这样的复苏可能导致不对称的复苏下行运动控制功能。为了进一步研究这个提议,我们分析了游泳运动的标本只急性脊髓半切术。半切标本展览双边不对称(图8 d),但是显示交流传播弯曲(图8 c)。他们的时间范围内的正常样本的特征(图8 c)。这一发现表明,正常下行命令的半切术包含足够的信息来启动宣传弯曲波浪两岸的身体,但再生可以包括系统的子集足以启动一侧弯曲波浪。
第四。复苏在成人七鳃鳗。
尚未解决的一个问题实验幼虫七鳃鳗是再生过程的关系的过程发生在正常发展。我们已经解决了这个问题通过比较恢复行为发生在幼虫七鳃鳗的回收行为发生在标本被横切成人之前和之后都蜕变(Ayers等艾尔。,1982;Margolin Ayers, 1987)。如图9中所示,恢复改变了成年人可以来自两个独立的路径。可以进行恢复正常ammocoetes ammocoetes然后变成成年人。相比之下,ammocoetes首先转变成大人,然后可以损伤和恢复的变形金刚。
图9。游泳运动恢复改变了七鳃鳗。图9恢复变形金刚会导致再生事先转换时,切断了标本ammocoetes (无花果。9中)。或从转换时事先再生标本切断变压器(图9)为f - g。样品图9 c作为ammocoete但被切断在室温下恢复(21šc)。比较游泳运动与康复21šammocoete g-h在图5。相比之下,标本在图9 d e作为ammocoete但恢复以及降低温度(šc 21日)。比较游泳运动与康复13šammocoete在图6 a - b。样品图9做减法切断在30天之后蜕变阶段6的成就和在减少温度(13šc)中恢复过来。比较正常的游泳运动与变压器在图2 c - d
恢复成人比幼虫标本展示一组不同的现象。敏锐地断掉的成年人表现出自发性脊髓起伏时附加到口吸盘(Ayers水族馆等艾尔,1982)。这些脊髓起伏往往来来去去,但是这可能是观察标本中取得了第四阶段的免费游泳中恢复过来。脊髓起伏更慢和低振幅比普通变压器游泳和更有节奏的特征由浴应用d-Glutamic酸(Ayers诱发等艾尔。,1983)。
图10。复苏的行为而不是游泳。图10 a - b恢复的例子推搡阶段5室温ammocoete穴居的阶段。图10 c - d的例子,恢复阶段5室温ammocoete向后爬。图10 e-f厌恶撤军的例子在阶段5室温变压器。
转换七鳃鳗可以从横断和展览游泳运动后恢复,事实上,他们一样强劲复苏观察幼虫(Margolin Ayers, 1987)。图9 c说明了恢复游泳运动的标本被切断之前,在室温下变形和恢复。注意,它展现了快速游泳运动特征的幼虫标本,在室温下恢复。换句话说它恢复行为是类似于一个ammocoete在室温下恢复。标本在蜕变之前切断,但允许恢复较慢的游泳运动表现在减少温度更正常ammocoetes的特征。如果七鳃鳗切断成年后蜕变然后几乎可以恢复正常的游泳动作如图9所示做减法。因此行为复苏可能发生,即使横断后发生蜕变。这一发现不同于观察在无尾类的行为复苏取决于变形(正手和Farel, 1982)。
VI。其他波动的行为恢复吗吗?
除了恢复游泳运动,七鳃鳗也可以恢复其他波动的行为。图10 a - b说明了ammocoete恢复穴居行为的一个例子。注意标本试图推到衬底期间观察到正常的挖掘和展现,而低频组件的行为。我们还展示了复苏的向后爬如图10所示c - d。注意这里弯曲波浪传播从尾巴到鼻子和正常的低频特性向后爬。变形金刚也可以恢复这些其他波动的行为。事实上,他们有能力恢复甚至厌恶行为如图10 e-f撤军。厌恶撤军是一个难能可贵的回收行为中观察到ammocoetes及其在断掉的成年人表示发生多么强劲的经济复苏是正常的波动的行为。
七世。RETICULOSPINAL神经元的再生。
我们已经检查了reticulospinal系统的再生的幼虫和成虫七鳃鳗的辣根过氧化物酶逆行运输(Mesulam, 1982)。正常标本展览相当不同的整体形态reticulospinal幼虫之间的系统(图11),和转换(图11 c)标本。项绝对细胞数量,然而,表明一些新的神经元被添加到reticulospinal人口转型期间(情郎和艾尔斯,1986)。脊髓横断后,标本可以恢复到行为标准和re-transected约5毫米的距离远到原始横断面。合注入这种第二横断填充只有细胞再生的原始损伤(j . Snedekor和m . selz个人通信)。尽管相当大的可变性之间观察到的标本中恢复过来,我们通常发现神经元在所有的四个主要reticulospinal细胞组(中脑的地峡的,球和迷走神经)填写恢复标本(图11 b, D)。一般来说,我们发现再生神经元的数量逐渐增加随着恢复时间的增加与进步行为正常。我们从这些实验得出reticulospinal系统的再生脊髓横断后深刻的和相对非特异性。换句话说大多数细胞组织再生,而不是只有少数组织再生。然而,更倾向于较小的神经元细胞体再生比巨人reticulospinal神经元5毫米(g .情郎未发表)。
图11。reticulospinal神经元的再生。留下的两个图是相机lucida辣根过氧化物酶的轮廓描绘充满reticulospinal神经元的人口下降的项目正常ammocoete幼虫体长的25% (图11的)和正常转换成人(图11 c)。两个正确的图是对应地图的神经元再生项目至少5毫米远端再生横断的体长在25% ammocoete已恢复到第五阶段(图11 b),转换成人切断变压器和恢复到第五阶段(图11 d)。注意,主要有填充细胞在所有4细胞组织标本中恢复过来。加里·斯温未出版
八世。恢复功能下降RETICULOSPINAL系统。
这个恢复行为综合过程基于什么?为了解决这个问题,我们已经研究了电刺激神经元的生理影响人口和脑干神经元。像大多数脊椎动物(Forssberg, 1982;森,1987年),七鳃鳗展览下行命令系统,可以在隔离变压器neuraxes破裂引起放电(麦克莱伦,1984;麦克莱伦Grillner, 1983)。
图12。脑干microstimulation行为的影响。图12。原位脑刺激准备。标本是吉尔的队伍给钉住了拱门和大脑手术暴露。图12 b。电microstimulation(7-46µa)通过双重玻璃微电极侧脑干。(点画地区)。图12 c。对阈下刺激的反应。图12 d。反应阈刺激。图12 e。反应在2 x刺激阈值。请注意,弯曲的时间和传播波随电流增加。图12 f。.Response在4 x刺激阈值的游泳运动变得不协调由于极端传播时代的延伸
答:下行命令系统的正常功能。
我们已经确定的行为引起下行系统通过分析运动诱发电microstimulation正常ammocoetes和变压器原位(但Margolin,考夫曼,Ayers, 1985)。对于这些实验我们使用一个暴露的大脑准备固定下来的腮弓,这样尾身体是免费的波形(图12)。一个例子电气microstimulation起伏的运动引起的横向地峡的地区(图12 b)在正常ammocoete图12所示。的起伏诱发microstimulation深深地依赖刺激电流的强度。阈下刺激产生没有波动(图12),而成就的一个离散的阈值产生协调的弯曲波浪传播从头到尾。游泳命令可以通过招聘、增强进一步增加刺激电流超过阈值可以增加诱发运动的频率。进一步增加刺激电流会大大增加运动的传播时间,直到协调游泳运动废除(图12)。几乎没有增加刺激频率的影响,当刺激电流保持不变在正常标本。
图13。脑干microstimulation ammocoete指挥系统可以启动游泳行为的幼虫。上面的两个面板(图13 a - b),是一个游泳行为分析在一个正常的14.5厘米ammocoete幼虫。较低的两个面板(图13 c - d)是一个相应的波动的分析由脑干诱发microstimulation右侧正常ammocoete相同的长度。
当起伏由脑干诱发microstimulation比较正常的游泳运动相近尺寸的标本的,他们是有相当的相似在时间和振幅(图13)。我们在转换成人也有类似的效果。这些反应不同于起伏的药理(D-Glutamate)刺激诱发ammocoetes和变形金刚,尽管相位常数和大大减少振幅(Ayers慢得多等艾尔。1983;邻居和威廉姆斯,1984)。换句话说,D-Glutamate激活脊髓时钟产生波动,但它使不同时间比脑干激活时钟。
b的函数起伏的命令在标本中恢复过来。
游泳命令脊髓横断后系统恢复功能(Currie Ayers, 1983)。标本在经济复苏的早期阶段没有传播弯曲波浪响应命令的刺激。全身学术语一边是最常见的在这些复苏的早期阶段(Margolin考夫曼和艾尔斯,1985)。相比之下,恢复下行控制很容易证明标本中取得了第五阶段的复苏。图14 a - b表示恢复行为的标本在13š再生。同样的标本为脑干microstimulation准备时,协调传播波动可以诱发类似时间以及传播时间恢复行为(图14 c)。脑干诱发起伏在这大大减少振幅恢复标本相比,同样准备正常标本(比较无花果。14 d和13 d)。大概恢复行为造成额外的添加剂影响元素(图11 b)比microstimulus引起的。
图14。游泳指挥系统刺激可以启动游泳恢复ammocoete transectees。上面的两个面板(图14 a - b),是一个游泳行为分析在第五阶段恢复ammocoete幼虫。较低的两个面板(14 c - d无花果。)的相应分析起伏唤起同样的减少手术后标本和脑干microstimulation左边。注意到相似度在时间,但明显减少的振幅microstimulation诱发游泳。
在正常ammocoetes,恢复ammocoetes展示频率和振幅的增加游泳起伏的增加将导致刺激电流和阈值电流刺激的过度倾向于消除游泳运动的协调(d·考夫曼未发表)。Ammocoetes已恢复脊髓横断可能证明错误的指挥系统功能。例如我们发现标本展出不同传播时间双方或强烈增加刺激频率的影响。相比ammocoetes指挥系统函数的相当大的复苏,我们发现缺乏指挥系统的功能恢复成人标本。在成年人中恢复过来,行为由脑干诱发microstimulation很少接近恢复行为(l . Margolin,未发表)。立即恢复成人脑干microstimulation可能发起横向波动尾病变,但与相应的反应恢复ammocoetes这些很少传播到尾部。这些发现表明,恢复行为中观察到转换成人可能并不能从单个下行系统参数的影响(平斯克和艾尔斯,1983),但可能需要几个下行系统的累加效应(图11 d),行动一致。
图15。可塑性的鳍姿势命令脊髓横断后系统功能。图15原位细胞内刺激准备鳍态势分析。图15 b。神经元动作电位诱发的穆勒I1的胞内脉冲在列车重复。图15 c。列车侧鳍运动诱发的I1动作电位。图15 d。可塑性的传出影响I1横断后在不同时期之间的第一和第二背鳍。的graph indicates the stimulus frequency necessary for threshold and maximal contractions of the dorsal fin. The response threshold initially increases over the first two hours after which no response can be evoked. Responses of the anterior find did not return until the specimens had achieved stage 5 of swimming recovery. Adapted from Currie and Ayers, 1987
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c .复苏鳍姿势命令的功能。
在一个案例中,我们可以扩展我们的观察interneuronal功能恢复上一个确定reticulospinal中间神经原,I1 (Currie Ayers, 1982;1987)。细胞内刺激I1控制两个背鳍的姿势(图15)。横断脊髓的背鳍结果之间不仅在失去后背鳍的姿势,但迅速丧失控制能力前背鳍的姿势(图15 d)。这个赤字控制前背鳍的姿势的能力恢复的时候发起尾游泳运动恢复的能力。损失函数吻侧脊髓病变相似收缩形成的灯泡的时间进程及其转换生长锥(霍尔和科恩,1983)。这一发现表明,该神经元逆行的损失经验的功能逐渐恢复前病变。我们从来没有观察到I1恢复能力控制后背鳍姿势尾横断,即使在标本取得了第五阶段的复苏(Currie Ayers, 1983)。
八世。结论
复苏的脊髓横断七鳃鳗是一个优秀的模型建立下行系统的再生和功能恢复的机制后脊髓创伤。七鳃鳗模型展览所需的所有标准模型的脊髓功能恢复和再生除了提供比较发育过程和再生过程的机会。此外,温度恢复发生提供探针的再生和恢复的实验操作。复苏的能力开始游泳在ammocoete脊髓横断后幼虫似乎源于再生和恢复功能的下行reticulospinal系统介导游泳命令在正常标本。这个时候我们还没有恢复的机制建立在成人标本,尽管他们的行为复苏ammocoetes一样健壮的观察。
应答:我感谢我的同事盖尔·a .木匠,斯科特·n·库里盖伦Eaholtz,迪恩·考夫曼,Margolin李,加里·p·詹姆斯·f·Kinch情郎和板球科文威尔伯的相当大的对这个项目的贡献。
引用
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