Μορφολογική και λειτουργική πλαστικότητα του νευρικού συστήματος κατά την γήρανση και τον εκφυλισμό

Abstract

Most of the multicellular organisms undergo a form of functional decay which differs among species and among individuals of the same species. The understanding of the archetypical design and the basic principles underlying motor function is a fundamental goal in Neuroscience and Medicine. Knowledge of the magnitude of motor function autonomy especially during aging will allow the better understanding of disease or trauma-related motor dysfunction and the design of therapeutic procedures. In this study one of the most popular model systems for the study of the genetic and molecular basis of aging, the fuit-fly Drosophila melanogaster, was used. In particular, we studied reflexive escape behaviors that are elicited when the insect detects a threatening stimulus. These are: (1) escape by climbing due to negative geotaxis in response to a mechanical stimulus and (2) the jump-and-flight escape as a response to a visual input. Particular efford was given to differentiate with the aid of quantitative criteria, between motor ability and initiation and maintenance of the response. In addition the neuronal circuit underlying light-induced escape response (LIER) was electrophysiologically studied. Novel approaches were used for the study of escape by climbing. Our data demonstrate that aged individuals have a tendency to remain stand at the bottom of the vial. In contrast young flies occupy the top and are in motion. Two different stimulus regimes were used. The average and best climbing performance (time to climb 6 cm) increases during aging Similar conclusions were reached by estimating these parameters in a longitudinal study. An additional finding is that 50 days old individuals perform better when the rate of decay as the become old remains constant.Changes in the function of the neuronal circuit underlying LIER were detected by examining three functional parameters. The short latency response, refractory period and the following frequency 50%. Statistically significant differences were found for all parameters. By examining separately the two different GFS sub-pathways we revealed that the SLR increase in GF-DLMs was due to a decay in the neuromuscular junctions whereas the RP increase and FF50 decrease was caused by a decay in synaptic transmission of the central cholinergic synapses between. PSI and DLMns In addition in the age of >60 days, the signal transmission was blocked, between the photoreceptors and GF neurons resulting in the elimination of the behavior. By studying the motor behavior of aged individuals in trial of 6 hours it was revealed that a large percentage of flies exhibit aged-dependent deficits within the last 24 hours of life. These were climbing and walking disabilities, leg clonus and extension/retrieval of the proboscis and posture failure. Continious video recordings of aged individuals revealed that eventually all animals enter the pre-death stage but the duration and specific features of the deficits differ among different flies. In conclusion, the age-elated physiological motor deficits were defined for first time in an animal species.

Οι περισσότεροι πολυκύτταροι οργανισμοί διέρχονται κάποια μορφή λειτουργικής γήρανσης, εντούτοις η φύση της γήρανσης ποικίλει τόσο ανάμεσα σε διαφορετικά είδη όσο και ανάμεσα στα άτομα του ίδιου είδους Η κατανόηση του αρχετυπικού σχεδίου κατασκευής και των βασικών αρχών λειτουργίας των κινητικών συστημάτων (κινητικό νευρικό και μυϊκό σύστημα) στη διάρκεια της ζωής αποτελεί θεμελιώδη στόχο στις Νευροεπιστήμες και την Ιατρική. Η γνώση των δυνατοτήτων για κινητική αυτονομία ιδιαίτερα κατά το γήρας στον άνθρωπο θα επιτρέψει την κατανόηση τόσο της αιτιολογίας κινητικών δυσλειτουργιών όπως και το σχεδιασμό θεραπευτικών προσεγγίσεων. Στην παρούσα διατριβή χρησιμοποιήθηκε ένα από τα πλέον δημοφιλή μοντέλα–συστήματα για τη μελέτη της μοριακής και γενετικής βάσης της γήρανσης η μύγα των φρούτων, Drosophila melanogaster. Τα πειράματα είχαν ως σκοπό τη διερεύνηση της επίδρασης της ηλικίας στην κινητική κατάσταση και συμπεριφορά της μύγας. Η μελέτη έγινε σε μεμονωμένα άτομα με ίδιο γονότυπο ώστε να εξαιρεθεί ο παράγοντας της γενετικής ποικιλομορφίας. Η προσέγγιση αποσκοπούσε στη διερεύνηση των φυσιολογικών χαρακτηριστικών της κινητικής συμπεριφοράς σε νεαρές ηλικίες που ακολουθείται από έκπτωση κατά τη γήρανση του οργανισμού. Ειδικότερα, μελετήθηκαν οι αντανακλαστικές συμπεριφορές διαφυγής που ενεργοποιούνται όταν το έντομο αντιλαμβάνεται και μεταφράζει κάποιο ερέθισμα ως απειλητικό για τη ζωή. Αυτές είναι: (1) η απομάκρυνση με αναρρίχηση, λόγω αρνητικού γεωτακτισμού, ως αντίδραση σε κάποιο μηχανικό ερέθισμα. και (2) η συμπεριφορά διαφυγής με άλμα και πτήση ως απόκριση σε οπτικό ερέθισμα. Στην δεύτερη περίπτωση μελετήθηκε ηλεκτροφυσιολογικά το Σύστημα Γιγαντιαίων Αξόνων, το νευρωνικό κύκλωμα το οποίο είναι υπεύθυνο για την αντίδραση διαφυγής. Ιδιαίτερη σημασία δόθηκε στον διαχωρισμό με ποσοτικά κριτήρια της κινητικής ικανότητας από την ενεργοποίηση και διατήρηση της αντίδρασης-συμπεριφοράς στο ερέθισμα, ανάλογα με την ηλικία. Για την μελέτη της συμπεριφοράς διαφυγής με αναρρίχηση λόγω αρνητικού γεωτακτισμού σε σχέση με την ηλικία χρησιμοποιήσαμε, επιπλέον των γνωστών μεθόδων, μια πιο γρήγορη και απλή προσέγγιση. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα γηρασμένα άτομα χωρίς να δεχτούν κάποιο ερέθισμα βρίσκονται στην πλειοψηφία τους στον πυθμένα του φιαλιδίου και ακίνητα σε αντίθεση με τα νεαρά που στην πλειονότητά τους βρίσκονται στην κορυφή του φιαλιδίου και εν κινήσει. Η ικανότητα αναρρίχησης μελετήθηκε ως απάντηση σε δύο διαφορετικού τύπου ερεθίσματα. Ο μέσος όρος του χρόνου ολοκλήρωσης των δοκιμασιών σε επίπεδο πληθυσμού μετά από κάθε ερέθισμα αυξάνεται με την ηλικία. Το ίδιο παρουσίασε και ο μέσος όρος των καλύτερων χρόνων αναρρίχησης που εμφάνισε κάθε άτομο. Η παραπάνω πειραματική διαδικασία για την μελέτη της ικανότητας αναρρίχησης πραγματοποιήθηκε και σε επιμήκη μελέτη. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ηλικιωμένα άτομα (50 ημερών) έχουν καλύτερες επιδόσεις όταν ο ρυθμός αύξησης του χρόνου αναρρίχησης με την ηλικία έμενε σταθερός, σε αντίθεση με άτομα τα οποία εμφάνισαν αυξανόμενο ρυθμό αναρριχητικής έκπτωσης. Η διερεύνηση για πιθανές αλλαγές στο σύστημα γιγαντιαίων αξόνων, το νευρωνικό κύκλωμα για την συμπεριφορά διαφυγής, με την ηλικία έγινε με την εξέταση τριών παραμέτρων. Της βραχύχρονης απόκρισης, της ανερέθιστης περιόδου και της επαγόμενης συχνότητας 50%. Η σύγκριση νεαρών και γηρασμένων ατόμων όσο αφορά το υποκύκλωμα ΓΝ-ΡΕΜς αποκάλυψε στατιστικά σημαντικές διαφορές για τις τρεις αυτές παραμέτρους. Με την πειραματική μελέτη των υποκυκλωμάτων ΓΝ-ΑΜ και ΡΕΜΝς-ΡΕΜς και με την εις άτοπο απαγωγή δείξαμε ότι η αύξηση της βραχύχρονης απόκρισης στο υποκύκλωμα ΓΝ-ΡΕΜς οφείλεται στην νευρομυική σύναψη ενώ η αύξηση της ανερέθιστης περιόδου και η μείωση της επαγόμενης συχνότητας 50% οφείλεται στη σύναψη ΠΣΕ- ΡΕΜνς στο ΚΝΣ. Επίσης, το υποκύκλωμα ΓΝ-ΡΕΜς στην ηλικία των 60 ημερών δεν υπόκεινται σε περαιτέρω έκπτωση της λειτουργίας του μέχρι το τέλος ζωής των ατόμων αλλά εμφανίζει μπλοκάρισμα διάδοσης του σήματος από τους γιγαντιαίους άξονες στους πτητικούς μύες. Μελέτη συμπεριφοράς γηρασμένων ατόμων κάθε 6 ώρες έδειξε ότι ένα μεγάλο ποσοστό ατόμων εμφανίζει ένα διάστημα διάρκειας 6 έως 24 ώρες με συγκεκριμένες κινητικές και συμπεριφορικές δυσλειτουργίες όπως είναι η ανικανότητα βάδισης και αναρρίχησης, ο κλονισμός στα πόδια, οι ρυθμικές κινήσεις της προβοσκίδας και η ανικανότητα για ορθή στάση του σώματος. Η συνεχής βιντεοσκόπηση γηρασμένων ατόμων μέχρι τη στιγμή του θανάτου τους αποκάλυψε ότι τελικά, όλα τα άτομα διέρχονται από μια τέτοια περίοδο με τα συγκεκριμένα χαρακτηριστικά που η διάρκεια και η συχνότητα εμφάνισής τους ποικίλουν από άτομο σε άτομο. Κατά συνέπεια καθορίστηκςαν τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του σταδίου της ζωής λίγο πριν τον φυσιολογικό (λόγω γήρανσης) θάνατο για πρώτη φορά σε ζωικό είδος.