Electrophysiological and morphological identification of neurons in the rat superior colliculus and their synaptic connections with nuclei involved in oculomotricity
Authors: Τζάνου Αθανασία 
Published: October 2024

Το Άνω Διδύμιο (ΑΔ) είναι μια υποφλοιώδης δομή στο μεσεγκέφαλο των θηλαστικών, η οποία αποτελείται από εναλλασσόμενες στιβάδες κυτταρικών σωμάτων και ινών. Ο ρόλος του σε οπτικές και οπτικά καθοδηγούμενες συμπεριφορές είναι εξελικτικά συντηρημένος σε διάφορα είδη. Οι επιφανειακές στιβάδες του ΑΔ λαμβάνουν είσοδο από τον αμφιβληστροειδή και προβάλλουν στις διάμεσες στιβάδες. Επίσης, στον επίμυ, στέλνουν προβολές στο άνω έξω γονατώδες σώμα και στον έξω οπίσθιο θαλαμικό πυρήνα, μέσω του οποίου μεταφέρουν πληροφορία σε συνειρμικές περιοχές του οπτικού φλοιού. Οι προσαγωγοί προς τις διάμεσες και τις εν τω βάθει στιβάδες του διδυμίου προέρχονται από τον αμφιβληστροειδή, ποικίλες αισθητικές και κινητικές περιοχές του εγκεφαλικού φλοιού, καθώς και από διάφορες υποφλοιώδεις δομές. Εξίσου ετερογενείς είναι και οι προβολές από αυτές τις στιβάδες, οι οποίες περιλαμβάνουν χιαζόμενες και μη, κατιούσες προβολές μέσω του τετραδυμονωτιαίου και του τετραδυμοβολβοειδούς δεματίου. Ανιούσες προβολές έχουν περιγραφεί προς διαφορετικούς πυρήνες του εγκεφάλου. Στον αναπτυσσόμενο και τον ενήλικο εγκέφαλο του επίμυος έχουν περιγραφεί πέντε διαφορετικοί τύποι νευρώνων στις επιφανειακές στιβάδες του ΑΔ (νευρώνες στενού δενδριτικού πεδίου, νευρώνες με ευρύ δενδριτικό πεδίο, οριζόντιοι, αστεροειδείς και οριακοί νευρώνες). Αυτή η κατηγοριοποίηση έχει βασιστεί σε ποιοτικά χαρακτηριστικά της σωματοδενδριτικής μορφολογίας αυτών των κυττάρων. Στις διάμεσες και τις βαθιές στιβάδες του ΑΔ έχει, επίσης, περιγραφεί ένας ετερογενής πληθυσμός κυττάρων (μέσου μεγέθους και ευρέος πεδίου πολύπολοι, κάθετοι, οριζόντιοι, ευρέος πεδίου κάθετοι, ατρακτοειδείς, και πυραμιδοειδείς). Επιπλέον, στις ίδιες στιβάδες έχουν αναφερθεί νευρώνες που προβάλλουν στον αντίπλευρο μέσο δικτυωτό σχηματισμό (χιαζόμενοι τετραδυμοδικτυωτοί νευρώνες), που μορφολογικά είναι πολύπολοι, ατρακτοειδείς, οριζόντιοι, πυραμιδοειδείς και σφαιρικοί. Μολονότι η σωματοδενδριτική μορφολογία των διαφόρων κυτταρικών ομάδων των επιπολής στιβάδων του ΑΔ είναι καλά μελετημένη στον επίμυ, οι νευραξονικές προβολές τους δεν έχουν μελετηθεί λεπτομερώς στα τρωκτικά. Προβολές από τα κύτταρα των επιφανειακών στιβάδων του ΑΔ του επίμυος έχουν δειχθεί να στοχεύουν ποικίλες εγκεφαλικές δομές, όπως το άνω έξω γονατώδες σώμα, ο έξω οπίσθιος θαλαμικός πυρήνας, ο κοιλιακός έξω γονατώδης πυρήνας, ο υπεργονατώδης πυρήνας του θαλάμου, ο παραδιδυμικός πυρήνας και η προτετραδυμική περιοχή, συμπεριλαμβανομένου του πυρήνα της οπτικής ταινίας. Ωστόσο, είναι ακόμα υπό διερεύνηση ποιοι είναι οι συγκεκριμένοι κυτταρικοί τύποι που προβάλλουν στις περιοχές αυτές.Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι να χαρακτηρίσουμε λεπτομερώς προβλητικούς νευρώνες του ΑΔ. Προκειμένου να διευκρινίσουμε τη δομή και λειτουργία των νευρώνων αυτών, συνδυάσαμε την εξωκυττάρια καταγραφή με την παρακυτταρική σήμανση νευρώνων, ακολουθούμενη από τη λεπτομερή ανατομική ανασύσταση των σημασμένων νευρώνων. Τέλος, χρησιμοποιώντας ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης αναλύσαμε τις συναπτικές επαφές των σημασμένων νευρώνων και ελέγξαμε εάν εκφράζουν συγκεκριμένους μοριακούς δείκτες.Προβολές των σημασμένων νευρώνων βρέθηκαν σε διαφορετικούς πυρήνες, ταυτοποιώντας τους νευρώνες σε ανιόντες και κατιόντες. Οι απαγωγοί από το ΑΔ πηγάζουν από έναν ετερογενή πληθυσμό κυττάρων, ο οποίος περιλαμβάνει νευρώνες με κάθετα και οριζόντια προσανατολισμένα δενδριτικά πεδία. Οι ανιούσες προβολές προέρχονται από νευρώνες που, κυρίως, εντοπίζονται στις επιφανειακές στιβάδες του ΑΔ, παρόλο που βρήκαμε ανιούσες προβολές και από τις διάμεσες στιβάδες. Οι πυρήνες- στόχοι των ανιόντων προβλητικών νευρώνων περιλαμβάνουν τον πυρήνα της οπτικής ταινίας, τον προτετραδυμικό πυρήνα της ελαίας, τον πρόσθιο προτετραδυμικό πυρήνα και τον έξω οπίσθιο πυρήνα του θαλάμου. Οι κατιούσες προβολές στοχεύουν την περιυδραγωγό φαιά ουσία, τον έξω λημνίσκο και τον παραδιδυμικό πυρήνα.Μεταξύ των προβλητικών νευρώνων που ταυτοποιήσαμε, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν νευρώνες που πληρούν τα μορφολογικά κριτήρια εκείνων των ευρέος πεδίου. Έχουν πολύπολα σώματα κείμενα στην κατώτερη επιφανειακή φαιά και στην οπτική στιβάδα του ΑΔ. Με βάση την ποσοτική μορφομετρική ανάλυση, οι ακανθώδεις δενδρίτες τους είναι διατεταγμένοι παράλληλα στην επιφάνεια του ΑΔ, αντίθετα με προηγούμενο χαρακτηρισμό αυτών ως νευρώνων με κάθετο δενδριτικό πεδίο. Οι προβολές τους είναι ιδιαίτερα χαρακτηριστικές, στο ότι στοχεύουν τον πυρήνα της οπτικής ταινίας. Γι’ αυτό το λόγο τους ονομάσαμε Ευρέος Πεδίου Νευρώνες του Άνω Διδυμίου προβλητικούς προς τον Πυρήνα της Οπτικής Ταινίας (NOT projecting superior collicular wide field; SCWFNOT). Επιβεβαιώσαμε τη μορφολογική κατηγοριοποίηση αυτών ως μιας διακριτής τάξης νευρώνων χρησιμοποιώντας μη επιβλεπόμενη ιεραρχική ανάλυση συστάδων (unsupervised hierarchical cluster analysis). Τα δεδομένα από την ηλεκτρονική μικροσκοπία αποκαλύπτουν ότι οι νευρώνες αυτοί συνάπτονται διεγερτικά με τους στόχους τους στον πυρήνα της οπτικής ταινίας, ενώ δυο από αυτούς που ελέγξαμε εκφράζουν την παρβαλβουμίνη, μια πρωτεΐνη που δεσμεύει ασβέστιο.Το καινοφανές εύρημα της παρούσας μελέτης είναι η υποκατηγορία των νευρώνων ευρέος πεδίου που προβάλλουν προς τον πυρήνα της οπτικής ταινίας. Προηγούμενες μελέτες σε τρωκτικά εστίασαν κυρίως στις εκτεταμένες προβολές των νευρώνων ευρέος πεδίου διαμέσου του έξω οπίσθιου πυρήνα του θαλάμου, θεωρώντας αυτές ως μέσον για την πρόσβαση της πληροφορίας προς φλοιικές οπτικές συνειρμικές περιοχές. Τα αποτελέσματά μας υποδεικνύουν ότι αυτή η ειδική υποκατηγορία των νευρώνων ευρέος πεδίου μπορεί να εμπλέκεται στον οπτοκινητικό νυσταγμό.