معلومة

تحول المرحلة في خلايا الشبكة


أود أن أفهم تمامًا تحول الطور في خلية الشبكة في MEC. من وجهة نظري ، نظرًا لوجود شبكة سداسية (أي مثلث متساوي الأضلاع) ، وبالتالي هناك 3 $ phi $ ، لدي الأسئلة التالية فيما يتعلق بذلك:

1). إذا كان هناك 3 دولارات phi $ ، فكيف يحدث تحول الطور في (أعتقد) 3 مراحل ، أي لماذا توجد 3 نوبات؟ أنا في حيرة من أمري فقط على المستوى الأساسي: لماذا يحدث التحول الطوري ، هل هو بسبب إعادة توطين الطور في الخلايا العصبية؟

2). كما تحدده ويكيبيديا: "إنزياح الطور هو أي تغيير يحدث في مرحلة كمية واحدة ، أو في فرق الطور بين كميتين أو أكثر" ، لذا فإن سؤالي هو ، ما هي "الكمية" في المثال مع خلايا الشبكة أو ما هو "فرق الطور بين كميتين أو أكثر" هنا؟

بمعنى آخر ، لماذا يوجد التحول الأول والثاني والثالث؟ لماذا يحدث الثاني والثالث؟ هل لأن نمط خلايا الشبكة هو مثلث متساوي الأضلاع والنوع الأول من الإشارة ينتج حقل الشبكة الأول (النقطة) والنوع الثاني من الإشارة ينتج النقطة الثانية ، هنا قمت بتحرير هذه الصورة لتوضيح فكرتي:

ويمكننا أن نرى ، إذا قمنا بنمذجه بجيب التمام ، منذ ذلك الحين


على النقيض من المرحلة المجهري

على النقيض من المرحلة المجهري هي تقنية مجهرية بصرية تقوم بتحويل تحولات الطور في الضوء الذي يمر عبر عينة شفافة إلى تغيرات السطوع في الصورة. تكون تحولات الطور نفسها غير مرئية ، ولكنها تصبح مرئية عند عرضها كتغيرات في السطوع.

عندما تنتقل موجات الضوء عبر وسط غير الفراغ ، يتسبب التفاعل مع الوسط في تغيير سعة الموجة والطور بطريقة تعتمد على خصائص الوسط. تنشأ التغييرات في السعة (السطوع) من تشتت الضوء وامتصاصه ، والذي غالبًا ما يعتمد على الطول الموجي وقد يؤدي إلى ظهور الألوان. معدات التصوير والعين البشرية حساسة فقط لتغيرات السعة. بدون ترتيبات خاصة ، تكون تغييرات المرحلة غير مرئية. ومع ذلك ، غالبًا ما تنقل تغييرات المرحلة معلومات مهمة.

يعتبر الفحص المجهري الطوري مهمًا بشكل خاص في علم الأحياء. يكشف عن العديد من الهياكل الخلوية غير المرئية بمجهر المجال الساطع ، كما هو موضح في الشكل. تم جعل هذه الهياكل مرئية للميكروسكوبس الأوائل عن طريق التلوين ، لكن هذا يتطلب إعدادًا إضافيًا وموتًا للخلايا. أتاح مجهر تباين الطور لعلماء الأحياء دراسة الخلايا الحية وكيفية تكاثرها من خلال انقسام الخلايا. إنها إحدى الطرق القليلة المتاحة لتحديد البنية الخلوية والمكونات التي لا تستخدم الفلورة. [1] بعد اختراعه في أوائل ثلاثينيات القرن العشرين ، [2] أثبت الفحص المجهري على تباين الطور أنه تقدم كبير في الفحص المجهري لدرجة أن مخترعه فريتس زرنيك حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1953. [3]

يتمثل المبدأ الأساسي لإجراء تغييرات الطور المرئية في الفحص المجهري على تباين الطور في فصل الضوء (الخلفية) المضيء عن الضوء المبعثر للعينة (والذي يشكل تفاصيل المقدمة) ومعالجتها بشكل مختلف.

يركز الضوء المضيء على شكل حلقة (أخضر) الذي يمر بحلقة المكثف على العينة بواسطة المكثف. تشتت العينة (أصفر) بعض الضوء المنير. لا يتأثر الضوء المتبقي بالعينة ويشكل ضوء الخلفية (أحمر). عند مراقبة عينة بيولوجية غير ملوثة ، يكون الضوء المتناثر ضعيفًا وعادة ما يتحول إلى طور بمقدار 90 درجة (بسبب السماكة النموذجية للعينات وفرق معامل الانكسار بين الأنسجة البيولوجية والوسط المحيط) بالنسبة إلى ضوء الخلفية. يؤدي هذا إلى أن المقدمة (المتجه الأزرق) والخلفية (المتجه الأحمر) لها نفس الكثافة تقريبًا ، مما يؤدي إلى تباين منخفض للصورة.

في مجهر تباين الطور ، يتم زيادة تباين الصورة بطريقتين: عن طريق توليد تداخل بناء بين أشعة الضوء المبعثرة والخلفية في مناطق مجال الرؤية التي تحتوي على العينة ، وعن طريق تقليل كمية ضوء الخلفية التي تصل إلى مستوى الصورة . أولاً ، يتم إزاحة ضوء الخلفية بمقدار -90 درجة عن طريق تمريره عبر حلقة تغيير الطور ، مما يلغي فرق الطور بين الخلفية وأشعة الضوء المتناثرة.

عندما يتم تركيز الضوء بعد ذلك على مستوى الصورة (حيث يتم وضع الكاميرا أو العدسة العينية) ، يتسبب هذا التحول في الطور في حدوث خلفية وأشعة ضوئية متناثرة تنشأ من مناطق مجال الرؤية التي تحتوي على العينة (أي المقدمة) للتدخل البناء ، مما أدى إلى زيادة سطوع هذه المناطق مقارنة بالمناطق التي لا تحتوي على العينة. أخيرًا ، الخلفية باهتة

70-90٪ بواسطة حلقة مرشح رمادية تعمل هذه الطريقة على زيادة كمية الضوء المتناثر الناتج عن إضاءة الإضاءة (أي الخلفية) ، مع تقليل كمية ضوء الإضاءة التي تصل إلى مستوى الصورة. بعض الضوء المبعثر الذي يضيء سطح المرشح بالكامل سيتم إزاحته وتعتيمه بواسطة الحلقات ، ولكن بدرجة أقل بكثير من ضوء الخلفية ، الذي يضيء فقط تغيير الطور وحلقات المرشح الرمادي.

ما ورد أعلاه يصف تباين الطور السلبي. في ذلك إيجابي الشكل ، يتم إزاحة ضوء الخلفية بدلاً من ذلك بمقدار + 90 درجة. وبالتالي فإن ضوء الخلفية سيكون 180 درجة خارج الطور بالنسبة للضوء المنتشر. سيتم بعد ذلك طرح الضوء المتناثر من ضوء الخلفية لتكوين صورة بمقدمة أغمق وخلفية أفتح ، كما هو موضح في الشكل الأول. [4] [5] [6]


خبر صحفى

كيف نعرف اين نحن؟ كيف نجد الطريق من مكان إلى آخر؟ وكيف يمكننا تخزين هذه المعلومات بطريقة تمكننا من إيجاد الطريقة في المرة القادمة التي نتتبع فيها نفس المسار؟ اكتشف الحائزون على جائزة نوبل هذا العام & # 8217s نظام تحديد المواقع & # 8220inner GPS & # 8221 في الدماغ الذي يجعل من الممكن توجيه أنفسنا في الفضاء ، مما يدل على الأساس الخلوي لوظيفة معرفية أعلى.

في عام 1971 ، اكتشف John O & # 8217Keefe المكون الأول لنظام تحديد المواقع هذا. وجد أن نوعًا من الخلايا العصبية في منطقة من الدماغ تسمى الحُصين يتم تنشيطه دائمًا عندما يكون الجرذ في مكان معين في الغرفة. تم تنشيط الخلايا العصبية الأخرى عندما كان الجرذ في أماكن أخرى. استنتج O & # 8217Keefe أن هذه & # 8220 خلايا المكان & # 8221 شكلت خريطة للغرفة.

بعد أكثر من ثلاثة عقود ، في عام 2005 ، اكتشف May-Britt و Edvard Moser مكونًا رئيسيًا آخر لنظام تحديد المواقع في الدماغ. حددوا نوعًا آخر من الخلايا العصبية ، أطلقوا عليه & # 8220grid cells & # 8221 ، والتي تنشئ نظامًا إحداثيات وتسمح بتحديد المواقع وتحديد المسار بدقة. أظهر بحثهم اللاحق كيف تجعل خلايا المكان والشبكة من الممكن تحديد الموقع والتنقل.

لقد حلت اكتشافات John O & # 8217 Keefe و May-Britt Moser و Edvard Moser مشكلة شغلت الفلاسفة والعلماء لعدة قرون - كيف ينشئ الدماغ خريطة للفضاء المحيط بنا وكيف يمكننا التنقل في طريقنا عبر معقد بيئة؟

كيف نختبر بيئتنا؟

الشعور بالمكان والقدرة على التنقل أساسيان لوجودنا. يعطي الإحساس بالمكان تصورًا للمكان في البيئة. أثناء التنقل ، يتم ربطه بإحساس بالمسافة يعتمد على الحركة ومعرفة المواضع السابقة.

لقد شغلت الأسئلة المتعلقة بالمكان والملاحة الفلاسفة والعلماء لفترة طويلة. منذ أكثر من 200 عام ، جادل الفيلسوف الألماني إيمانويل كانط بأن بعض القدرات العقلية موجودة كمعرفة مسبقة ، مستقلة عن الخبرة. لقد اعتبر مفهوم الفضاء كمبدأ يحمل في ثناياه عوامل للعقل ، من خلاله يتم إدراك العالم ويجب أن يُدرك. مع ظهور علم النفس السلوكي في منتصف القرن العشرين ، يمكن معالجة هذه الأسئلة تجريبيًا. عندما فحص إدوارد تولمان الفئران التي تتحرك عبر المتاهات ، وجد أنها تستطيع تعلم كيفية التنقل ، واقترح أن & # 8220 خريطة معرفية & # 8221 تشكلت في الدماغ سمحت لهم بالعثور على طريقهم. لكن الأسئلة لا تزال قائمة & # 8211 كيف سيتم تمثيل مثل هذه الخريطة في الدماغ؟

جون أو & # 8217 كيف والمكان في الفضاء

كان John O & # 8217Keefe مفتونًا بمشكلة كيفية تحكم الدماغ في السلوك وقرر ، في أواخر الستينيات ، مهاجمة هذا السؤال بأساليب فسيولوجية عصبية. عند تسجيل الإشارات من الخلايا العصبية الفردية في جزء من الدماغ يسمى الحُصين ، في الفئران التي تتحرك بحرية في الغرفة ، اكتشف O & # 8217 كيف أن بعض الخلايا العصبية قد تم تنشيطها عندما اتخذ الحيوان مكانًا معينًا في البيئة (الشكل 1). كان بإمكانه إثبات أن هذه الخلايا & # 8220place & # 8221 لم تكن مجرد تسجيل المدخلات المرئية ، ولكنها كانت تبني خريطة داخلية للبيئة. استنتج O & # 8217Keefe أن الحصين يولد خرائط عديدة ، ممثلة بالنشاط الجماعي لخلايا المكان التي يتم تنشيطها في بيئات مختلفة. لذلك ، يمكن تخزين ذاكرة البيئة كمجموعة محددة من أنشطة الخلايا المكانية في الحُصين.

يجد May-Britt و Edvard Moser الإحداثيات

كان ماي بريت وإدوارد موسر يرسمان خرائط الوصلات بالحصين في الفئران التي تتحرك في غرفة عندما اكتشفوا نمطا مذهلا من النشاط في جزء قريب من الدماغ يسمى القشرة المخية الأنفية الداخلية. هنا ، تم تنشيط خلايا معينة عندما مر الجرذ بمواقع متعددة مرتبة في شبكة سداسية (الشكل 2). تم تنشيط كل من هذه الخلايا في نمط مكاني فريد وتشكل هذه الخلايا & # 8220grid & # 8221 مجتمعة نظام إحداثيات يسمح بالملاحة المكانية. جنبا إلى جنب مع الخلايا الأخرى في القشرة المخية الداخلية التي تتعرف على اتجاه الرأس وحدود الغرفة ، فإنها تشكل دوائر مع خلايا المكان في الحُصين. تشكل هذه الدائرة نظام تحديد المواقع الشامل ، نظام تحديد المواقع الداخلي ، في الدماغ (الشكل 3).

مكان للخرائط في الدماغ البشري

قدمت التحقيقات الحديثة مع تقنيات تصوير الدماغ ، وكذلك دراسات المرضى الذين يخضعون لجراحة الأعصاب ، أدلة على أن الخلايا الموضعية والشبكية موجودة أيضًا في البشر. في المرضى الذين يعانون من مرض الزهايمر ومرض # 8217 ، غالبًا ما يتأثر الحُصين والقشرة المخية الشوكية في مرحلة مبكرة ، وغالبًا ما يفقد هؤلاء الأفراد طريقهم ولا يمكنهم التعرف على البيئة. وبالتالي ، فإن المعرفة بنظام تحديد المواقع في الدماغ قد تساعدنا على فهم الآلية التي يقوم عليها فقدان الذاكرة المكانية المدمر الذي يؤثر على الأشخاص المصابين بهذا المرض.

يمثل اكتشاف نظام تحديد موقع الدماغ & # 8217s تحولًا نموذجيًا في فهمنا لكيفية عمل مجموعات الخلايا المتخصصة معًا لتنفيذ وظائف معرفية أعلى. لقد فتح طرقًا جديدة لفهم العمليات المعرفية الأخرى ، مثل الذاكرة والتفكير والتخطيط.

المطبوعات الرئيسية:

O & # 8217 Keefe، J.، and Dostrovsky، J. (1971). الحصين بمثابة الخريطة المكانية. دليل أولي من نشاط الوحدة في الجرذ المتحرك بحرية. أبحاث الدماغ 34، 171-175.

O & # 8217 كيف ، ج. (1976). ضع وحدات في الحصين من الجرذ المتحرك بحرية. علم الأعصاب التجريبي 51، 78-109.

Fyhn ، M. ، Molden ، S. ، Witter ، M.P. ، Moser ، E.I. ، Moser ، M.B. (2004) التمثيل المكاني في القشرة الشوكية الداخلية. العلوم 305 ، 1258-1264.

هافتينج ، ت. ، فين ، إم ، مولدن ، إس ، موسر ، إم بي ، وموسر ، إي. (2005). البنية المجهرية للخريطة المكانية في القشرة الشوكية الداخلية. طبيعة 436 ، 801-806.

سارجوليني ، F. ، Fyhn ، M. ، Hafting ، T. ، McNaughton ، B.L. ، Witter ، MP ، Moser ، MB ، and Moser ، E.I. (2006). التمثيل المترابط للموضع والاتجاه والسرعة في القشرة المخية الأنفية الداخلية. علم 312، 758-762.

جون أو & # 8217 كيف ولد عام 1939 في مدينة نيويورك بالولايات المتحدة الأمريكية ، ويحمل الجنسيتين الأمريكية والبريطانية. حصل على درجة الدكتوراه في علم النفس الفسيولوجي من جامعة ماكجيل ، كندا في عام 1967. بعد ذلك ، انتقل إلى إنجلترا لتلقي تدريب ما بعد الدكتوراه في يونيفيرسيتي كوليدج لندن. بقي في الكلية الجامعية وعُين أستاذًا لعلم الأعصاب الإدراكي في عام 1987. جون أو & # 8217 كيف يعمل حاليًا مديرًا لمركز سينسبري ويلكوم للدوائر العصبية والسلوك في يونيفرسيتي كوليدج لندن.

مايو بريت موسير ولد في Fosnavåg بالنرويج عام 1963 وهو مواطن نرويجي. درست علم النفس في جامعة أوسلو مع زوجها المستقبلي والشريك الحائز على جائزة إدوارد موسر. حصلت على درجة الدكتوراه. حصلت على درجة الدكتوراه في الفسيولوجيا العصبية في عام 1995. كانت زميلة ما بعد الدكتوراه في جامعة إدنبرة ثم عالمة زائرة في جامعة لندن قبل أن تنتقل إلى الجامعة النرويجية للعلوم والتكنولوجيا في تروندهايم في عام 1996. تم تعيين ماي بريت موسر أستاذًا لعلم الأعصاب في عام 2000 ويشغل حاليًا منصب مدير مركز الحساب العصبي في تروندهايم.

إدوارد موسر ولد عام 1962 في أليسوند بالنرويج ويحمل الجنسية النرويجية. حصل على درجة الدكتوراه. حصل على درجة الدكتوراه في الفسيولوجيا العصبية من جامعة أوسلو في عام 1995. وكان زميلًا لما بعد الدكتوراه مع زوجته وشريكته في الحائزة على جائزة May ‐ Britt Moser ، أولاً في جامعة إدنبرة ثم بعد ذلك عالمًا زائرًا في مختبر John O & # 8217Keefe & # 8217s في لندن. في عام 1996 ، انتقلوا إلى الجامعة النرويجية للعلوم والتكنولوجيا في تروندهايم ، حيث أصبح إدوارد موسر أستاذًا في عام 1998. وهو حاليًا مدير معهد كافلي لعلم الأعصاب للأنظمة في تروندهايم.

جمعية نوبل ، التي تتكون من 50 أستاذًا في معهد كارولينسكا ، تمنح جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب. تقوم لجنة نوبل التابعة لها بتقييم الترشيحات. منذ عام 1901 ، مُنحت جائزة نوبل للعلماء الذين حققوا أهم الاكتشافات لصالح البشرية.

جائزة نوبل® هي علامة تجارية مسجلة لمؤسسة نوبل

للاستشهاد بهذا القسم
أسلوب MLA: بيان صحفي. NobelPrize.org. الوصول إلى جائزة نوبل AB 2021. الجمعة. 25 يونيو 2021. & lth https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2014/press-release/>

يتعلم أكثر

جوائز نوبل 2020

حصل اثنا عشر فائزًا على جائزة نوبل في عام 2020 ، عن الإنجازات التي منحت أكبر فائدة للبشرية.

تتراوح أعمالهم واكتشافاتهم من تشكيل الثقوب السوداء والمقصات الجينية إلى جهود مكافحة الجوع وتطوير أشكال جديدة للمزادات.


جذور البصل نصائح الانقسام

معظم الخلايا التي حددتها كانت في الطور البيني. 20 من 36 كانت في الطور البيني و 55.6٪ منها في الطور البيني. وذلك لأن معظم الخلايا تقضي وقتها في النمو والاستعداد للتكاثر.

2. ما في المئة كانت في الانقسام؟

كانت النسبة المئوية للخلايا في الانقسام 44.5٪. أنت لا تحسب الخلايا في الطور البيني لأنها لم تبدأ عملية الانقسام الفتيلي حتى الآن.

3. أي مرحلة من مراحل الانقسام الفتيلي تستغرق أطول فترة؟

مرحلة الانقسام الفتيلي التي تستغرق أطول فترة هي الطور البيني لأن هذا يشمل كامل الوقت الذي تستريح فيه الخلية ثم عندما تستعد لدخول الطور الأولي.

4. في أي مرحلة تظهر النواة كنقطة مظلمة؟

أثناء الطور البيني ، تكون الخلية مرئية كبقعة مظلمة لأن النواة لا تزال سليمة ولم يبدأ الطور الأولي بعد.

5. كيف يمكنك التعرف على خلية في الطور الفوقي؟

تبدو الخلية في الطور الاستوائي مثيرة جدًا للاهتمام. هذا هو الوقت الذي تبدأ فيه الكروموسومات في المحاذاة ويبدو أن ما تراه يبدو كخطوط داكنة متموجة قليلاً في جانب الخلية.

الشيء التالي الذي فعلناه ، هو أننا طبقنا الأشياء التي تعلمناها من خلال المشاريع عبر الإنترنت على نصائح حول جذور البصل. نظرنا إليهم تحت المجهر وجمعنا البيانات من خلال النظر إلى مجموعة من الخلايا ، وإحصاء كمية الخلايا في كل مرحلة.


معلومات متقدمة

مُنحت جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب لعام 2014 للدكتور جون إم أوكيف والدكتور ماي بريت موسر والدكتور إدوارد آي موسر لاكتشافاتهم للخلايا العصبية في الدماغ التي تتيح الإحساس بالمكان والتنقل . تعتبر هذه الاكتشافات رائدة وتقدم رؤى حول كيفية تمثيل الوظائف العقلية في الدماغ وكيف يمكن للدماغ حساب الوظائف والسلوك الإدراكي المعقد. هناك حاجة إلى خريطة داخلية للبيئة والشعور بالمكان للتعرف على بيئتنا وتذكرها وللتنقل. هذه القدرة على التنقل ، والتي تتطلب تكامل المعلومات الحسية متعددة الوسائط ، وتنفيذ الحركة وقدرات الذاكرة ، هي واحدة من أكثر وظائف الدماغ تعقيدًا. لقد غيّر عمل الحائزين على جائزة 2014 فهمنا لهذه الوظائف بشكل جذري. اكتشف جون أوكيف خلايا المكان في الحُصين التي تشير إلى الموضع وتزود الدماغ بسعة الذاكرة المكانية. اكتشف May-Britt Moser و Edvard I.Moser في القشرة المخية الأنفية الداخلية ، وهي منطقة من الدماغ بجوار الحصين ، خلايا شبكية تزود الدماغ بنظام إحداثيات داخلي أساسي للملاحة. معًا ، تشكل خلايا المكان الحصينية وخلايا الشبكة الداخلية الداخلية شبكات خلايا عصبية مترابطة والتي تعتبر بالغة الأهمية لحساب الخرائط المكانية والمهام الملاحية. لقد غيّر العمل الذي قام به جون أوكيف ، وماي بريت موسر وإدوارد موسر فهمنا بشكل كبير لكيفية أداء الوظائف المعرفية الأساسية بواسطة الدوائر العصبية في الدماغ ، وألقى ضوءًا جديدًا على كيفية تكوين الذاكرة المكانية.

مقدمة

يعد الإحساس بالمكان والقدرة على التنقل من أهم وظائف الدماغ الأساسية. يعطي الإحساس بالمكان تصورًا لموضع الجسم في البيئة وفيما يتعلق بالأشياء المحيطة. أثناء التنقل ، يتم ربطه بإحساس بالمسافة والاتجاه يعتمد على تكامل الحركة ومعرفة المواضع السابقة. نعتمد على هذه الوظائف المكانية للتعرف على البيئة وتذكرها لإيجاد طريقنا.

لقد شغلت الأسئلة حول وظائف الدماغ الأساسية هذه الفلاسفة والعلماء لفترة طويلة. خلال القرن الثامن عشر ، جادل الفيلسوف الألماني إيمانويل كانط (1724-1804) بأن بعض القدرات العقلية موجودة بشكل مستقل عن التجربة. لقد اعتبر إدراك المكان كواحدة من هذه القدرات الفطرية التي من خلالها يجب تنظيم العالم الخارجي وإدراكه.

لقد دعا عالم النفس التجريبي الأمريكي إدوارد تولمان ، عالم النفس التجريبي الأمريكي إدوارد تولمان ، إلى مفهوم التمثيل الشبيه بالخريطة للمكان في الدماغ ، الذي درس كيف تتعلم الحيوانات التنقل (تولمان ، 1948). اقترح أن الحيوانات يمكن أن تختبر العلاقات بين الأماكن والأحداث وأن استكشاف البيئة أدى تدريجياً إلى تكوين خريطة معرفية تمكن الحيوانات من التنقل وإيجاد المسار الأمثل عبر البيئة. في هذا الرأي ، تمثل الخرائط المعرفية البيئة كجشطالت تسمح للموضوع بتجربة الغرفة والتنقل.

عارضت نظرية تولمان وجهة النظر السائدة بين السلوكيين القائلة بأن السلوكيات المعقدة يتم تحقيقها من خلال سلاسل علاقات الاستجابة الحسية الحركية.لكنها لم تتطرق إلى المكان الذي يمكن فيه تحديد هذه الوظائف في الدماغ وكيف يحسب الدماغ مثل هذه السلوكيات المعقدة. إن ظهور تقنيات التسجيل من الخلايا في دماغ الحيوانات التي كانت تتحرك بحرية في البيئة ، باستخدام أسلاك دقيقة مزروعة بشكل مزمن (Sturmwasser ، 1958) ، جعل من الممكن الاقتراب من هذه الأسئلة.

إيجاد خلايا المكان

كان لدى جون أوكيف خلفية في علم النفس الفسيولوجي ، حيث عمل مع رونالد ميلزاك في جامعة ماكجيل قبل أن ينتقل إلى مختبر باحث الألم باتريك وول في يونيفيرسيتي كوليدج في لندن ، حيث بدأ عمله على سلوك الحيوانات في أواخر الستينيات. هناك اكتشف خلايا المكان ، عند التسجيل من الخلايا العصبية في القسم الظهري من قرن آمون ، تسمى CA1 ، مع دوستروفسكي ، في الفئران التي تتحرك بحرية في منطقة محدودة (O & # 8217Keefe and Dostrovsky ، 1971) (شكل 1).

الشكل 1. ضع الخلايا. إلى اليمين هو رسم تخطيطي للجرذ. يتم تمييز الحصين ، حيث توجد خلايا المكان. يمثل المربع الرمادي الحقل المفتوح الذي يتحرك فيه الجرذ. خلايا المكان تطلق النار عندما يصل الحيوان إلى مكان معين في البيئة. تشير النقاط إلى موقع الجرذ في الساحة عندما تكون خلية المكان نشطة. تنطلق خلايا أماكن مختلفة في الحُصين في أماكن مختلفة من الساحة.

كان نمط إطلاق هذه الخلايا غير متوقع تمامًا. كانت خلايا المكان نشطة بطريقة لم تكن موجودة في أي خلايا في الدماغ من قبل. كانت خلايا المكان الفردية نشطة فقط عندما يكون الحيوان في مكان معين في البيئة ، أي مجال مكانه. من خلال التغيير المنهجي للبيئة واختبار الاحتمالات النظرية المختلفة لإنشاء مكان المكان ، أظهر O’Keefe أن إطلاق خلية المكان لا يعكس فقط النشاط في الخلايا العصبية الحسية ، ولكنه يمثل جشطالت معقدًا للبيئة.

يمكن أن تكون خلايا الأماكن المختلفة نشطة في أماكن مختلفة ، وقد أدى الجمع بين النشاط في العديد من خلايا المكان إلى إنشاء خريطة عصبية داخلية تمثل بيئة معينة (O & # 8217Keefe ، 1976 O & # 8217Keefe and Conway ، 1978). استنتج أوكيف مع نادل أن خلايا المكان تزود الدماغ بنظام خريطة مرجعية مكانية ، أو إحساسًا بالمكان (O & # 8217Keefe and Nadel ، 1978). أظهر أن الحُصين يمكن أن يحتوي على خرائط متعددة ممثلة بمجموعات من النشاط في خلايا مكان مختلفة كانت نشطة في أوقات مختلفة في بيئات مختلفة. لذلك قد تمثل مجموعة تسلسلية محددة من خلايا الأماكن النشطة بيئة فريدة ، بينما تمثل المجموعات الأخرى بيئات أخرى. من خلال اكتشافات أوكيف ، وجدت نظرية الخريطة المعرفية تمثيلها في الدماغ.

كان أحد المتطلبات الأساسية لتجارب O’Keefe هو تطوير تقنيات التسجيل المناسبة لاستخدامها في الحيوانات التي تتحرك بحرية. على الرغم من أن أوكيف كان مستخدمًا مبكرًا لهذه التقنيات ، إلا أنه لم يكن أول من سجل من الحصين أو الخلايا العصبية الأخرى في الحيوانات السليمة (انظر O’Keefe and Nadel 1978). ومع ذلك ، استخدم الباحثون في الغالب مهمة سلوكية مقيدة أو بروتوكولات صارمة للاستجابة التحفيزية. في المقابل ، سجل أوكيف النشاط الخلوي أثناء السلوك الطبيعي ، مما سمح له بمراقبة حقول المكان الفريدة وربط النشاط العصبي في خلايا المكان لتمثيل الإحساس بالمكان.

في التجارب اللاحقة ، أظهر أوكيف أن خلايا المكان قد يكون لها وظائف ذاكرة (O & # 8217Keefe and Conway ، 1978 O & # 8217Keefe and Speakman ، 1987). كان يُطلق على إعادة الترتيب المتزامنة في العديد من خلايا الأماكن في بيئات مختلفة إعادة التخطيط وأظهر O’Keefe أن إعادة التعيين يتم تعلمها ، وبمجرد إنشائها ، يمكن أن تكون مستقرة بمرور الوقت (Lever et al. ، 2002). لذلك قد توفر خلايا المكان ركيزة خلوية لعمليات الذاكرة ، حيث يمكن تخزين ذاكرة البيئة كمجموعات محددة من الخلايا المكانية.

في البداية ، قوبل الافتراض القائل بأن الحُصين متورط في الملاحة المكانية ببعض الشكوك. ومع ذلك ، فقد تم تقدير لاحقًا أن اكتشاف خلايا المكان ، والإثبات الدقيق على أن هذه الخلايا تمثل خريطة ذهنية بعيدة عن المدخلات الحسية الأولية ، والاقتراح القائل بأن قرن آمون يحتوي على خريطة داخلية يمكنها تخزين المعلومات حول البيئة ، كانت أساسية. أثار اكتشاف أوكيف عددًا كبيرًا من الدراسات التجريبية والنظرية حول كيفية مشاركة خلايا المكان في توليد المعلومات المكانية وفي عمليات الذاكرة المكانية. الفكرة العامة من هذه الدراسات هي أن الوظيفة الرئيسية لخلايا المكان هي إنشاء خريطة للبيئة ، على الرغم من أنها قد تشارك أيضًا في قياس المسافة في ظل بعض الظروف (Ravassard et al. ، 2013).

من الحصين إلى الخلايا الشبكية في القشرة الشوكية الداخلية

خلال الثمانينيات والتسعينيات ، كانت النظرية السائدة هي أن تكوين حقول المكان نشأ داخل الحُصين نفسه.

تساءل ماي بريت موسر وإدفارد موسر ، اللذان كانا يدرسان الحصين ، أثناء عملهما للدكتوراه في مختبر بير أندرسن في أوسلو وبعد ذلك كعلماء زائرين في مختبر ريتشارد موريس في إدنبرة ومختبر جون أوكيف في لندن ، عما إذا كان يمكن إنشاء إطلاق خلية مكانية من نشاط خارج الحصين. يأتي المدخل الرئيسي للحصين من هيكل على الحافة الظهرية لدماغ الجرذ ، القشرة المخية الأنفية الداخلية. جزء كبير من الناتج من القشرة المخية الداخلية يصل إلى المعلم المسنن في قرن آمون ، والذي يتصل بدوره بالمنطقة الموجودة في الحُصين والتي تسمى CA3 ، ثم إلى منطقة CA1 في الحصين الظهري. ومن المثير للاهتمام ، أن هذا هو نفس الجزء من الدماغ الذي وجد فيه جون أوكيف خلايا المكان لأول مرة. في عام 2002 ، وجد فريق Mosers أن فصل الإسقاطات من القشرة المخية الداخلية عبر CA3 لا يلغي حقول مكان CA1 (Brun et al. ، 2002). هذه النتائج ، والمعرفة بأن القشرة المخية الأنفية الداخلية مرتبطة بشكل مباشر ومتبادل أيضًا بمنطقة CA1 ، دفعت May-Britt Moser و Edvard Moser للبحث في القشرة المخية الأنفية الداخلية عن خلايا ترميز المكان. في دراسة أولى ، أثبتوا ، على غرار ما أظهره الآخرون ، أن القشرة المخية الأنفية الوسطى تحتوي على خلايا تشترك في الخصائص مع خلايا المكان في قرن آمون (Fyhn et al. ، 2004). ومع ذلك ، في دراسة لاحقة باستخدام لقاءات أكبر للحيوانات للتحرك فيها ، اكتشفوا نوعًا جديدًا من الخلايا ، الخلايا الشبكية ، التي لها خصائص غير عادية ، (هافتينج وآخرون ، 2005).

أظهرت الخلايا الشبكية نمط إطلاق مذهل. كانوا نشطين في أماكن متعددة في الصندوق المفتوح والتي شكلت معًا عقدًا لشبكة سداسية ممتدة (الشكل 2) ، على غرار الترتيبات السداسية للثقوب في خلية النحل.

الشكل 2. خلايا الشبكة. توجد الخلايا الشبكية في القشرة المخية الأنفية الداخلية الموضحة باللون الأزرق. تنطلق خلية شبكية واحدة عندما يصل الحيوان إلى مواقع معينة في الحلبة. هذه المواقع مرتبة في نمط سداسي.

تطلق خلايا الشبكة الموجودة في نفس المنطقة من القشرة المخية الإنسيّة نفس التباعد والاتجاه للشبكة ، ولكن بمراحل مختلفة ، بحيث تغطي معًا كل نقطة في البيئة.

وجد موسر أن مسافة حقول الشبكة تختلف في القشرة المخية الأنفية الداخلية مع وجود أكبر الحقول في الجزء البطني من القشرة. وأظهروا أيضًا أن تكوين الشبكة لم ينشأ عن تحول بسيط للإشارات الحسية أو الحركية ، ولكن من نشاط الشبكة المعقد.

لم يتم رؤية نمط الشبكة في أي خلايا دماغية من قبل! خلص Mosers إلى أن خلايا الشبكة كانت جزءًا من نظام تكامل الملاحة أو المسار. قدم نظام الشبكة حلاً لقياس مسافات الحركة وأضاف مقياسًا للخرائط المكانية في قرن آمون.

أظهر Mosers كذلك أن خلايا الشبكة كانت مدمجة في شبكة في القشرة المخية الأنفية الداخلية لخلايا اتجاه الرأس وخلايا الحدود ، وفي كثير من الحالات ، خلايا ذات وظيفة مشتركة (Solstad et al. ، 2008). وصف جيمس رانك (1985) خلايا اتجاه الرأس لأول مرة في جزء آخر من الدماغ ، وهو المنحدر الفرعي. تتصرف مثل البوصلة وتنشط عندما يشير رأس الحيوان في اتجاه معين. تنشط الخلايا الحدودية في الإشارة إلى الجدران التي يواجهها الحيوان عند التحرك في بيئة مغلقة (Solstad et al. ، 2008 Savelli ، وآخرون 2008). تم التنبؤ بوجود الخلايا الحدودية من خلال النمذجة النظرية بواسطة أوكيف وزملائه (هارتلي وآخرون 2000). أظهر Mosers أن الخلايا الشبكية وخلايا اتجاه الرأس والخلايا الحدودية متوقعة لخلايا مكان الحصين (Zhang et al. 2013). باستخدام تسجيلات من خلايا شبكية متعددة في أجزاء مختلفة من القشرة المخية الداخلية ، أظهر Mosers أيضًا أن خلايا الشبكة منظمة في وحدات وظيفية مع تباعد شبكي مختلف يتراوح في المسافة من بضعة سنتيمترات إلى أمتار ، وبالتالي تغطي البيئات الصغيرة إلى الكبيرة.

استكشف Mosers العلاقة بين الخلايا الشبكية وخلايا المكان في النماذج النظرية Solstad et al. ، 2006) ، وتجارب الآفات (Bonnevie et al. ، 2013 Hafting et al. ، 2008) ، وفي تجارب إعادة رسم الخرائط (Fyhn et al. ، 2007 ). أظهرت هذه الدراسات وغيرها من الدراسات التي أجراها Mosers و O'Keefe ، بالإضافة إلى دراسات أخرى ، أن هناك تأثيرًا متبادلًا بين الخلايا الشبكية في القشرة المخية الأنفية الداخلية وخلايا المكان في الحُصين والخلايا الأخرى المضبوطة مكانيًا في القشرة الشوكية الداخلية. ، ولا سيما الخلايا الحدودية (الشكل 3) ، في توليد نمط إطلاق خلايا المكان (Brandon et al.، 2011 Koenig et al.، 2011 Bush، Berry and Burgess، 2014، Bjerkness et al.، 2014).

الشكل 3. رسم تخطيطي يوضح الخلايا الشبكية (الزرقاء) وخلايا المكان (الصفراء) في القشرة المخية الأنفية الداخلية والحصين ، على التوالي.

إن اكتشاف Mosers للخلايا الشبكية ، ونظام التنسيق المكاني المتري ، وتحديدهم للقشرة المخية الأنفية الداخلية كمركز حسابي للتمثيل المكاني ، هو اختراق يفتح طرقًا جديدة لتعزيز فهم الآليات العصبية الكامنة. الوظائف المعرفية المكانية.

تم العثور على أنظمة الشبكة وخلايا المكان في العديد من أنواع الثدييات بما في ذلك البشر

منذ الوصف الأولي لخلايا المكان والشبكة في الجرذان والفئران ، تم العثور على أنواع الخلايا هذه أيضًا في الثدييات الأخرى (Killian et al. ، 2012 Ulanovsky et al. ، 2007 Yartsev et al. ، 2011 ، 2013). يمتلك البشر هياكل دماغية كبيرة من الحصين - الشمع الداخلي ، وقد تورطت هذه الهياكل منذ فترة طويلة في التعلم المكاني والذاكرة العرضية (سكوير ، 2004). يدعم عدد من الدراسات فكرة أن الدماغ البشري لديه نظام تشفير مكاني مشابه للنظام الموجود في الثدييات غير البشرية. وهكذا ، وجد الباحثون خلايا شبيهة بالمكان في الحُصين (Ekstrom et al. ، 2003 Jacobs et al. ، 2010) وخلايا شبيهة بالشبكة في القشرة المخية الأنفية الداخلية (Jacobs et al. ، 2013) عند التسجيل مباشرة من الخلايا العصبية في يخضع الدماغ البشري لمرضى الصرع لفحص ما قبل الجراحة. استخدام التصوير الوظيفي (fMRI). دويلر وآخرون. (2010) قدم أيضًا دعمًا لوجود الخلايا الشبكية في القشرة المخية الأنفية الداخلية للإنسان.

يشير التشابه بين البنية الحُصَينية - الداخلية في جميع الثدييات ووجود هياكل شبيهة بالحصين في الفقاريات غير الثديية ذات القدرة الملاحية إلى أن نظام خلايا المكان الشبكي هو نظام وظيفي وقوي يمكن حفظه في تطور الفقاريات.

أهمية اكتشاف خلايا المكان وخلايا الشبكة للبحث في علم الأعصاب الإدراكي

إنه موضوع ناشئ أن خلايا ترميز المكان في هياكل الحصين تشارك في تخزين و / أو استرداد الذكريات المكانية. في الخمسينيات من القرن الماضي ، نشر سكوفيل وميلنر (1957) تقريرهما عن المريض هنري مولايسون (HM) ، الذي خضع للحصين جراحيًا لعلاج الصرع. تسبب فقدان الحصين في عجز حاد في الذاكرة ، كما يتضح من الملاحظة السريرية أن جلالة الملك لم يكن قادرًا على ترميز ذكريات جديدة ، بينما لا يزال بإمكانه استعادة الذكريات القديمة. لقد فقد HM ما سُمي لاحقًا بالذاكرة العرضية (Tulving and Markowitch 1998) ، في إشارة إلى قدرتنا على تذكر الأحداث التي خضناها ذاتيًا. لا يوجد دليل مباشر على أن خلايا المكان تقوم بترميز الذاكرة العرضية. ومع ذلك ، يمكن لخلايا المكان ترميز ليس فقط للموقع المكاني الحالي ، ولكن أيضًا حيث كان الحيوان للتو وإلى أين يتجه بعد ذلك (Ferbinteanu and Shapiro ، 2003). قد يتداخل الماضي والحاضر أيضًا في خلايا المكان عندما يتم نقل الحيوانات بسرعة بين بيئتين فيزيائيتين مختلفتين (Jezek et al. ، 2011). قد يسمح ترميز الأماكن في الماضي والحاضر للدماغ بتذكر التمثيل الزمني للأحداث ، كما هو الحال في الذاكرة العرضية.

بعد تشفير الذاكرة ، تخضع الذاكرة لمزيد من التوحيد ، على سبيل المثال أثناء النوم. أتاح التسجيل الجماعي باستخدام أقطاب متعددة في الحيوانات النائمة دراسة كيفية توحيد ذكريات المسارات المكانية التي تم تحقيقها أثناء التنقل النشط. تعرض مجموعات خلايا المكان التي يتم تنشيطها في تسلسل معين أثناء السلوك نفس تسلسل التنشيط في الحلقات أثناء النوم اللاحق (Wilson and McNaughton ، 1994). قد تكون إعادة التشغيل هذه لنشاط الخلية المكانية أثناء النوم آلية لتوحيد الذاكرة ، حيث يتم تخزين الذاكرة في النهاية في الهياكل القشرية.

يمكن استخدام نشاط خلايا المكان معًا لتحديد الموقع في البيئة في أي وقت ، وأيضًا لتذكر التجارب السابقة للبيئة. ربما ترتبط هذه الفكرة بالنتائج التي توصلت إليها أن حصين سائقي سيارات الأجرة في لندن ، والذي يخضع لتدريب مكثف لتعلم كيفية التنقل بين آلاف الأماكن في المدينة بدون خريطة ، قد نما خلال فترة التدريب الممتدة على مدار العام وأن سائقي سيارات الأجرة بعد ذلك كان للتدريب حجم حصين أكبر بكثير من الأشخاص الضابطة (Magurie et al. 2000 ، Woollett and Maguire ، 2011).

أهمية الإنسان والطب

تعد اضطرابات الدماغ السبب الأكثر شيوعًا للإعاقة ، وعلى الرغم من التأثير الكبير على حياة الناس والمجتمع ، لا توجد طريقة فعالة للوقاية من معظم هذه الاضطرابات أو علاجها. تتأثر الذاكرة العرضية بالعديد من اضطرابات الدماغ ، بما في ذلك الخرف ومرض الزهايمر. لذلك فإن الفهم الأفضل للآليات العصبية الكامنة وراء الذاكرة المكانية أمر مهم ، وكانت اكتشافات خلايا المكان والشبكة قفزة كبيرة إلى الأمام لدفع هذا المسعى. أظهر O’Keefe وزملاؤه في نموذج فأر لمرض الزهايمر أن تدهور مجالات المكان مرتبط بتدهور الذاكرة المكانية للحيوانات (Cacucci et al. ، 2008). لا توجد ترجمة فورية لمثل هذه النتائج إلى البحث أو الممارسة السريرية. ومع ذلك ، فإن تكوين الحصين هو أحد الهياكل الأولى التي تتأثر بمرض الزهايمر ، وقد تساعد المعرفة حول نظام الملاحة في الدماغ في فهم التدهور المعرفي الملحوظ في المرضى الذين يعانون من هذه الأمراض.

الاستنتاجات

تقدم اكتشافات خلايا المكان والشبكة بواسطة John O’Keefe و May-Britt Moser و Edvard I.Moser نقلة نوعية في فهمنا لكيفية عمل مجموعات الخلايا المتخصصة معًا لتنفيذ وظائف معرفية أعلى. عززت الاكتشافات بشكل كبير البحث الجديد مع أنظمة الخلايا الشبكية والمكان الموجودة الآن في العديد من الثدييات ، بما في ذلك البشر. فتحت دراسات نظام الملاحة سبلاً جديدة لدراسة كيفية حساب العمليات المعرفية في الدماغ.

Ole Kiehn و Hans Forssberg Karolinska Institutet

Ole Kiehn ، دكتوراه في الطب ، دكتوراه
أستاذ علم الأعصاب ، معهد كارولينسكا
عضو لجنة نوبل
عضو جمعية نوبل

هانز فورسبرج ، دكتوراه في الطب ، دكتوراه
أستاذ علم الأعصاب ، Karolinska Institutet Adjunct
عضو لجنة نوبل
عضو جمعية نوبل

الرسوم التوضيحية: ماتياس كارلين

استشهد الأدب

Bjerknes ، TL ، Moser ، E.I. وموزر ، م. (2014). تمثيل الحدود الهندسية في الفئران النامية. عصبون ، 82(1), 71-78.

Bonnevie، T.، Dunn، B.، Fyhn، M.، Hafting، T.، Derdikman، D.، Kubie، J.L.، Roudi، Y.، Moser، E.I.، and Moser، M.B. (2013). تتطلب خلايا الشبكة محركًا مثيرًا من الحُصين. علم الأعصاب الطبيعي 16, 309-317.

براندون ، MP ، Bogaard ، AR ، Libby ، CP ، Connerney ، MA ، Gupta ، K. ، and Hasselmo ، ME (2011). يؤدي تقليل إيقاع ثيتا إلى فصل الدورية المكانية للخلايا الشبكية عن الضبط الاتجاهي. علم 332, 595-599.

Brun ، V.H. ، Otnass ، M.K. ، Molden ، S. ، Steffenach ، H.A. ، Witter ، MP ، Moser ، MB ، and Moser ،

إي. (2002). ضع الخلايا والتعرف على المكان الذي يتم الحفاظ عليه من خلال الدوائر الداخلية المباشرة للحصين. علم 296, 2243-2246.

دفع. D. ، Barry ، C. ، Burgess ، N. (2014). ماذا تساهم الخلايا الشبكية في إطلاق الخلية؟ الاتجاهات في علم الأعصاب ، 37(3), 136-145

Cacucci، F.، Yi، M.، Wills، T.J.، Chapman، P. and O´Keefe، J. (2008) يرتبط إطلاق خلية المكان بعجز الذاكرة وعبء لوحة الأميلويد في نموذج Tg2576 لفأر الزهايمر. PNAS ، 105, 7863-7868.

دي هوز ، إل ، وود ، إي آر (2006). فصل الماضي عن الحاضر في نشاط خلايا المكان. قرن آمون، 16, 704-715.

دويلر ، سي إف ، باري سي ، وبورجيس ، إن (2010). دليل لخلايا الشبكة في شبكة ذاكرة بشرية. طبيعة سجية 463, 657-661.

Ekstrom، A.D.، Kahana، M.J.، Caplan، J.B.، Fields، T.A.، Isham، E.A.، Newman، E.L.، and Fried، I. (2003). الشبكات الخلوية الكامنة وراء الملاحة المكانية البشرية. طبيعة سجية 425, 184-188.

Ferbinteanu، J.، and Shapiro، M.L. (2003). ترميز الذاكرة المستقبلي والاستعادي في الحُصين. عصبون ، 40, 1227-1239.

Fyhn ، M. ، Hafting ، T. ، Treves ، A. ، Moser ، M.B. ، and Moser ، E.I. (2007). إعادة تخطيط الحصين وإعادة تنظيم الشبكة في القشرة الأنفية الداخلية. طبيعة سجية 446, 190-194.

Fyhn ، M. ، Molden ، S. ، Witter ، M.P. ، Moser ، E.I. ، and Moser ، M.B. (2004). التمثيل المكاني في القشرة المخية الأنفية الداخلية. علم 305, 1258-1264.

هافتينج ، ت. ، فين ، إم ، بونيفي ، ت. ، موسر ، إم بي ، وموسر ، إي. (2008). الحصين- مرحلة مبكرة مستقلة في الخلايا الشبكية الداخلية. طبيعة سجية 453, 1248-1252.

هافتينج ، ت. ، فين ، إم ، مولدن ، إس ، موسر ، إم بي ، وموسر ، إي. (2005). البنية المجهرية للخريطة المكانية في القشرة المخية الأنفية الداخلية. طبيعة سجية 436, 801-806.

هارتلي ، ت. ، بورغيس ، إن ، ليفر ، سي ، كاكوتشي ، إف أند أو & # 8217 كيف ، ج. (2000). نمذجة حقول المكان من حيث المدخلات القشرية للحصين. قرن آمون، 10(4), 369-379.

جاكوبس ، جيه ، كاهانا ، إم جي ، إكستروم ، إيه دي ، موليسون ، إم في ، وفريد ​​، آي (2010). إحساس بالاتجاه في القشرة المخية الأنفية الداخلية للإنسان. PNAS 107, 6487-6492.

جاكوبس ، جيه ، ويدمان ، سي تي ، ميلر ، جي إف ، سولواي ، إيه ، بيرك ، جي إف ، وي ، إكس إكس ، سوثانا ، إن ، سبيرلينج ، إم آر ، شاران ، إيه دي ، فرايد ، آي ، وكاهانا ، إم جي (2013 ). التسجيلات المباشرة للنشاط العصبي الشبيه بالشبكة في الملاحة المكانية البشرية. علم الأعصاب الطبيعي ، 6, 1188-1190.

Jezek ، K. ، Henriksen ، EJ ، Treves ، A. ، Moser ، E.I. ، and Moser ، M.B. (2011). وميض ثيتا بين خرائط خلايا المكان في قرن آمون. طبيعة سجية، 478, 246-249.

كيليان ، نيوجيرسي ، جوتراس ، إم جي ، وبافالو ، إي. (2012). خريطة للفضاء البصري في القشرة المخية الأنفية الداخلية الرئيسية. طبيعة سجية 491, 761-764.

لانجستون ، RF ، Ainge ، J.A. ، Couey ، J.J. ، Canto ، C.B. ، Bjerknes ، T.L. ، Witter ، MP ، Moser ، E.I. ، and Moser ، M.B. (2010). تطوير نظام التمثيل المكاني في الجرذ. علم 328, 1576-1580.

ليفر ، سي ، ويلز ، ت. ، كاكوتشي ، إف ، بورغيس ، إن ، أند أو & # 8217 كيف ، ج. (2002). اللدونة طويلة المدى في تمثيل الخلايا المكانية الحصينية للهندسة البيئية. طبيعة سجية 416, 90-94.

ماغواير ، E.A. ، Gadian ، D.G. ، Johnsrude ، I.S. ، Good ، CD ، Ashburner ، J. ، Frackowiak ، RS. وفريث سي. (2000). التغيير الهيكلي المرتبط بالملاحة في حصين سائقي سيارات الأجرة. PNAS ، 97(8), 4398-4403.

O & # 8217 كيف ، ج. (1976). ضع وحدات في الحصين من الجرذ المتحرك بحرية. علم الأعصاب التجريبي 51, 78-109.

O & # 8217 Keefe، J.، and Conway، D.H. (1978). يضع الحصين الوحدات في الجرذ الذي يتحرك بحرية: لماذا يطلقون النار حيث يطلقون. أبحاث الدماغ التجريبية 31, 573-590.

O & # 8217 Keefe، J.، and Dostrovsky، J. (1971). الحصين بمثابة الخريطة المكانية. دليل أولي من نشاط الوحدة في الجرذ المتحرك بحرية. أبحاث الدماغ 34, 171-175.

O & # 8217 Keefe، J.، and Nadel، L. (1978). الحصين كخريطة معرفية (مطبعة جامعة أكسفورد).

O & # 8217 Keefe، J.، and Speakman، A. (1987). نشاط وحدة واحدة في حصين الفئران أثناء مهمة الذاكرة المكانية. أبحاث الدماغ التجريبية 68, 1-27.

رانك ، جيه بي (1985). خلايا اتجاه الرأس في الطبقة الخلوية العميقة لمقدمة الحصين الظهرية في الفئران التي تتحرك بحرية. في النشاط الكهربائي للقشرة القوسية ، السيرة الذاتية G. Buzsáki ، أد. (بودابست: أكاديميا كيادو) ، ص 217 - 220.

رافاسارد ، ب. ، كيس. A. ، Willers ، B. ، Ho ، D. ، Aharoni ، D. ، Cushman ، J. ، Aghajan ، Z.M. وميهتا

M.R. (2013) التحكم متعدد الحواس للانتقائية الزمانية المكانية الحصينية. علم،

سارجوليني ، F. ، Fyhn ، M. ، Hafting ، T. ، McNaughton ، B.L. ، Witter ، MP ، Moser ، MB ، and Moser ، E.I. (2006). التمثيل المترابط للموضع والاتجاه والسرعة في القشرة المخية الأنفية الداخلية. علم 312, 758-762.

Savelli ، F. ، Yoganarasimha ، D and Knierim ، JJ (2008). تأثير إزالة الحدود على التمثيلات المكانية للقشرة المخية الإنسي. الحصين ، 18 ، 1270-1282.

سكوفيل ، دبليو بي ، وميلر ، ب. (1957). فقدان الذاكرة الحديثة بعد آفات الحصين الثنائية.

مجلة جراحة المخ والأعصاب والطب النفسي، 20, 11-21.

سولستاد ، تي ، بوكارا ، سي إن ، كروبف ، إي ، موسر ، إم بي ، وموزر ، إي. (2008). تمثيل الحدود الهندسية في القشرة المخية الأنفية الداخلية. علم 322, 1865-1868.

سولستاد ، ت ، موسر ، إي.أينيفول ، جي تي. (2006). من خلايا الشبكة إلى خلايا المكان: نموذج رياضي. قرن آمون 16, 1026-1031.

سكوير ، ل. (2004). أنظمة ذاكرة الدماغ: تاريخ موجز ومنظور حالي.

علم الأعصاب للتعلم والذاكرة 82, 171-177.

Stensola ، H. ، Stensola ، T. ، Solstad ، T. ، Froland ، K. ، Moser ، M.B. ، and Moser ، E.I. (2012). يتم تحديد خريطة الشبكة النهائية الداخلية. طبيعة سجية 492, 72-78.

سترومواسر ، ف. (1958). التسجيل طويل المدى من الخلايا العصبية المفردة في دماغ الثدييات غير المقيدة. علم، 127, 469-670.

تولمان ، إي سي (1948). الخرائط المعرفية في الفئران والرجال. مراجعة نفسية ، 55 ، 189-208.

Tulving ، E. and Markowitsch ، HJ (1998). الذاكرة العرضية والتصريحية: دور الحُصين. قرن آمون، 8, 198-204.

أولانوفسكي ، إن ، وموس ، سي. (2007). النشاط الخلوي والشبكي في الحصين في الخفافيش التي تتحرك بحرية بالصدى. نات نيوروسسي 10, 224-233.

ويلسون ، ماجستير ، وماكنوتون ، ب. (1994). إعادة تنشيط الحُصين تجمع الذكريات أثناء النوم. علم 265, 676-679.

Woollett K. و Maguire E.A. (2011). يؤدي اكتساب & # 8220 تخطيط المعرفة & # 8221 في لندن & # 8217s التغييرات الهيكلية في الدماغ. تيار. مادة الاحياء، 21(24), 2109-2114

Yartsev ، M.M. ، و Ulanovsky ، N. (2013). تمثيل الفضاء ثلاثي الأبعاد في قرن آمون من الخفافيش الطائرة. علم 340, 367-372.

Yartsev ، M.M. ، Witter ، MP ، and Ulanovsky ، N. (2011). خلايا شبكية بدون تذبذبات ثيتا في القشرة المخية الداخلية للخفافيش. طبيعة سجية 479, 103-107.

Zhang ، S.J. ، Ye ، J. ، Miao ، C. ، Tsao ، A. ، Cerniauskas ، I. ، Ledergerber ، D. ، Moser ، M.B. ، and Moser ،

إي. (2013). تشريح علم البصريات الوراثي للتوصيل الوظيفي الشمي الداخلي والحصين. علم 340, (6128)232627.

للاستشهاد بهذا القسم
أسلوب MLA: معلومات متقدمة. NobelPrize.org. الوصول إلى جائزة نوبل AB 2021. الجمعة. 25 يونيو 2021. & lth https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2014/advanced-information/>

يتعلم أكثر

جوائز نوبل 2020

حصل اثنا عشر فائزًا على جائزة نوبل في عام 2020 ، عن الإنجازات التي منحت أكبر فائدة للبشرية.

تتراوح أعمالهم واكتشافاتهم من تشكيل الثقوب السوداء والمقصات الجينية إلى جهود مكافحة الجوع وتطوير أشكال جديدة للمزادات.


نمو البكتيريا: 4 مراحل رئيسية

تمثل مرحلة التأخر فترة من النمو النشط تستعد خلالها البكتيريا للتكاثر ، وتوليف الحمض النووي ، والعديد من الإنزيمات المحفزة ، والجزيئات الكبيرة الأخرى اللازمة لانقسام الخلايا. لذلك ، خلال هذه المرحلة ، قد يكون هناك زيادة في الحجم (الحجم) ولكن لا زيادة في رقم الخلية. قد تستمر مرحلة التأخر لمدة ساعة أو أكثر ، وقرب نهاية هذه المرحلة قد يتضاعف حجم بعض الخلايا أو يتضاعف ثلاث مرات.

تعد مرحلة التأخر ضرورية قبل بدء انقسام الخلية لأسباب متنوعة. إذا تم أخذ الخلايا من مزرعة قديمة أو من مزرعة مبردة ، فقد يكون من الممكن أن تكون الخلايا قديمة ومستنفدة من ATP والعوامل المساعدة الأساسية والريبوزومات.

إذا كان الوسط مختلفًا عن الذي كان ينمو فيه السكان الميكروبيون سابقًا ، فستحتاج الخلايا إلى إنزيمات جديدة لاستخدام المغذيات الجديدة في الوسط.

ومع ذلك ، يتم استيفاء أوجه القصور هذه من قبل الخلايا خلال مرحلة التأخر. وبالتالي ، فإن مرحلة التأخر تكون أطول عمومًا إذا تم أخذ الخلايا من مزرعة قديمة أو مبردة. في المقابل ، إذا تم أخذ الخلايا من مزرعة شابة تنمو بقوة (تجمعات ميكروبية) وتم تلقيحها في وسط جديد من نفس التركيب ، فقد تكون مرحلة التأخر قصيرة أو حتى غائبة.

2. سجل أو مرحلة النمو الأسي:

تدخل الخلايا البكتيرية المعدة للانقسام الخلوي أثناء مرحلة التأخر الآن في مرحلة السجل أو مرحلة النمو الأسي التي تنقسم خلالها الخلايا بمعدل أقصى ويصل وقت تكوينها إلى الحد الأدنى ويظل ثابتًا.

النمو في هذه المرحلة متوازن تمامًا (أي يتم تصنيع جميع المكونات الخلوية بمعدلات ثابتة بالنسبة لبعضها البعض) وبالتالي ، الأكثر اتساقًا من حيث الخصائص الكيميائية والفسيولوجية ، عادةً ما تُستخدم مزارع الطور اللوغاريتمي في الدراسات البيوكيميائية والفسيولوجية.

نظرًا لأن وقت التوليد ثابت ، فإن الرسم اللوغاريتمي للنمو أثناء مرحلة السجل ينتج خطًا مستقيمًا تقريبًا. تسمى هذه المرحلة طور اللوغاريتم لأن لوغاريتم الكتلة البكتيرية يزداد خطيًا بمرور الوقت ، ومرحلة النمو الأسي لأن عدد الخلايا يزداد كدالة أسية قدرها 2 ن (أي 2 1 ، 2 2 ، 2 3 ، 2 4 ، 2 5 وما إلى ذلك).

تمثل مرحلة السجل أيضًا الوقت الذي تكون فيه الخلايا البكتيرية أكثر نشاطًا في التمثيل الغذائي ، وفي الإنتاج الصناعي ، هذه هي فترة ذروة النشاط والكفاءة.

3. المرحلة الثابتة:

نظرًا لأن البكتيريا تنمو في حجم ثابت من وسط المزرعة على دفعات ، ولا تتم إضافة أي مغذيات جديدة ، فإن نمو التجمعات البكتيرية يتوقف في النهاية ويصبح منحنى النمو أفقيًا. يتم تحقيق هذه المرحلة من النمو في البكتيريا عند مستوى سكانية يبلغ حوالي 10 9 خلايا لكل مل.

قد يكون وقف النمو بسبب استنفاد العناصر الغذائية المتاحة أو بسبب تراكم المنتجات النهائية المثبطة لعملية التمثيل الغذائي. قد يكون توقف النمو أيضًا بسبب O2 توافر خاصة في حالة الهوائية. الأكسجين غير قابل للذوبان بشكل كبير وقد ينضب بسرعة كبيرة بحيث لا تجد سوى الخلايا الموجودة على سطح المزرعة تركيز الأكسجين الضروري للنمو الكافي.

عاجلاً أم آجلاً ، تبدأ الخلايا البكتيرية في الموت ويوازن عدد هذه الخلايا عدد الخلايا المولودة حديثًا ، وتستقر التجمعات البكتيرية. تسمى حالة النمو هذه ، التي يظل خلالها العدد الإجمالي للخلايا القابلة للحياة ثابتة بسبب عدم وجود زيادة صافية أخرى في عدد الخلايا ويكون معدل النمو مساويًا تمامًا لمعدل الوفيات ، المرحلة الثابتة.

يتضمن الانتقال بين مراحل السجل والمراحل الأسية والثابتة فترة من النمو غير المتوازن يتم خلالها تصنيع المكونات الخلوية المختلفة بمعدلات غير متكافئة. وبالتالي ، فإن الخلايا في المرحلة الثابتة لها تركيبة كيميائية مختلفة عن تلك الموجودة في المرحلة الأسية.

4. مرحلة الموت أو التراجع:

بعد فترة ، يبدأ عدد الخلايا المحتضرة في تجاوز عدد الخلايا المولودة حديثًا ، وبالتالي يبدأ عدد الخلايا البكتيرية القابلة للحياة الموجودة في مزرعة الدُفعات في الانخفاض.

تمثل هذه الحالة موت مرحلة التدهور التي تستمر حتى يتقلص عدد السكان إلى جزء ضئيل من الخلايا الأكثر مقاومة ، أو قد تموت تمامًا. مثل النمو الأسي ، يكون الموت أسيًا أيضًا ، ولكنه معكوس ، حيث يتناقص عدد الخلايا البكتيرية القابلة للحياة بشكل كبير.


4. مناقشة

تؤكد نتائجنا متوسط ​​خسائر الغلة بنسبة 4.9٪ لكل عملية احترار كربون و 5٪ لكل 10٪ انخفاض في هطول الأمطار كما راجع Challinor et al. (2014) وتبين أن التكيف المتنوع يمكن أن يساهم في زيادة إنتاج السعرات الحرارية العالمية لجميع السيناريوهات التي تم فحصها. بالنسبة إلى SSP5-8.5 ، يمكن للتكيف المتنوع أن يعوض ويفوق الخسائر الناجمة عن تغير المناخ على المدى الطويل. وبالتالي ، فإن التكيف مع التنوع يقلل من الآثار السلبية لزيادة درجة الحرارة على النطاق العالمي بينما يستفيد نمو المحاصيل في نفس الوقت من ارتفاع ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي2 تركيزات. تشير النتائج إلى أن التخفيف تجاه SSP1-2.6 يمكن أن يكون مفيدًا لإنتاجية المحاصيل العالمية (الشكل 1). في المتوسط ​​العالمي ، تُظهر النتائج أنه يمكن ضمان الإنتاج العالمي الحالي حتى 2 كلفن من ارتفاع درجة حرارة موسم النمو مع التكيف مع التنوع في ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.2 تركيز. تتطلب الزيادات في درجات الحرارة التي تزيد عن 2 كلفن تدابير إضافية ، مثل ، على سبيل المثال ، استخدام مياه إضافية للأصناف المكيفة لتعويض خسائر الإنتاج (الشكل 3).

في إعدادنا التجريبي ، نعتمد نهجًا تم اختباره بواسطة Asseng et al. (2015) للقمح باعتباره محاصيل الحبوب الرئيسية ، وافترض أن الأصناف المتكيفة تتطلب وحدات حرارة أعلى للنضج المتأخر لاستعادة فترة النمو السابقة التي يمكن تقصيرها دون تعديل الأصناف. نصنف المناطق في فئات من المحتمل أن نكون قادرين على اختيار أصناف متكيفة من بين الأصناف الموجودة بالفعل ، بناءً على التوزيع الحالي لـ GDDs. على الرغم من أننا ندرس القيود المحتملة لنقل الأصناف إلى مناطق أخرى ، إلا أن النهج قد لا يعكس جميع السمات الخاصة بالمحصول والتي ستكون مطلوبة لنقل الأصناف الموجودة إلى مناطق جديدة في ظل تغير المناخ. ومع ذلك ، فإنه يساعد في توضيح مدى قوة إمكانية تكيف موسم النمو التي قد تعتمد على الحاجة إلى تطوير أصناف جديدة متكيفة. تشير النتائج إلى أن أصناف المحاصيل الحالية تغطي مجموعة واسعة من متطلبات GDD المطلوبة في المستقبل. بالنسبة لمستويات الاحترار المنخفضة كما هو الحال في SSP1-2.6 ، يمكن تزويد 85 ٪ من أراضي المحاصيل العالمية بأصناف متكيفة من مجموعة الأصناف الموجودة حاليًا. من ناحية أخرى ، قد تتطلب 39 ٪ من أراضي المحاصيل العالمية أصنافًا جديدة لـ SSP5-8.5. بالنسبة لهذه المناطق ، يمكن توفير المعلومات الإقليمية حول GDDs المطلوبة طويلة الأجل للسماح ببرامج التربية طويلة الأجل المستهدفة (Boote et al.، 1996 Challinor et al.، 2016).

أظهرت الدراسات أن العملية الشاملة لتربية الأصناف الجديدة وتسليمها واعتمادها يمكن أن تستغرق ما يصل إلى 30 عامًا (Challinor et al.، 2016) ، مما قد يحد أيضًا من توافر أصناف جديدة بمرور الوقت. ومع ذلك ، فإن الأساليب والتقنيات الجديدة ، مثل CRISPR-Cas9 ، أو التكاثر السريع ، أو التربية النباتية التشاركية ، يمكن أن تسرع من تطوير الأصناف المكيفة في المستقبل (Fedoroff et al.، 2010 Garcia-Molina & Leister، 2020 Long et al.، 2015 Tester & Langridge ، 2010). تظهر نتائجنا أنه حتى مناطق الإنتاج المهمة يمكن أن تكون معرضة لخطر كبير بعدم توفر أصناف جديدة لأن متطلبات GDD المطلوبة لها على حافة أو خارج نطاق متطلبات GDD التي لوحظت في الأصناف المزروعة عالميًا اليوم. إن تطوير أصناف متكيفة محليًا مع الظروف المناخية الحارة أمر مهم بشكل خاص للمناطق التي تعتبر فيها الزراعة عاملاً اجتماعيًا واقتصاديًا مهمًا لتجنب الآثار المترتبة على الاقتصاد المحلي والعمالة والمجتمع والثقافة.

فعالية التكيف مع الصنف أقل بشكل عام في المناطق المدارية والقاحلة ، حيث تميل البلدان النامية إلى امتلاك قدرات تكيف أقل وزيادة سريعة في الطلب على الغذاء. يمكن أن تؤدي المسارات المختلفة لتنمية البذور وإيصالها (Challinor et al.، 2016) إلى تحسين توفير البذور المكيفة والميسورة التكلفة للبلدان النامية ، كما أنها تدابير مهمة لسد فجوات الغلات. الاختلافات الإقليمية القوية في فعالية تكيف الأنواع التي تظهر في نتائجنا ، بالإضافة إلى القدرات والقدرات المختلفة للتكيف ، يمكن أن يكون لها آثار كبيرة على التغيرات المستقبلية في استخدام الأراضي ، والتي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالتدفقات التجارية والأسواق الزراعية (Delzeit وآخرون ، 2018 Ewert et al. ، 2015 Robinson et al. ، 2018). نظرًا لأن قوى السوق من المرجح أن تكثف الإنتاج الزراعي في المناطق ذات الأصناف المناسبة والظروف الزراعية الأكثر ملاءمة (Nelson et al. ، 2014) ، يمكن أن تزداد الأهمية العالمية لسلة الخبز.

تركز هذه الدراسة على تغييرات الإنتاج طويلة الأجل التي قد تحجب الظواهر المناخية الشديدة الحدة. تشير الدراسات أيضًا إلى زيادة تباين الغلة بين السنوات (Challinor et al.، 2014) التي يمكن أن تقلل من الآثار المفيدة لتكيف الأنواع ، حيث قد لا تكون الأصناف المكيفة مناسبة أو مفيدة في المواسم المتطرفة ، على سبيل المثال ، بسبب موجات الحرارة أو أحداث الجفاف.

يجب أن تأخذ تقييمات التكيف المستقبلية في الاعتبار نطاقات التكيف بدلاً من استكشاف آثار التكيف الكامل مقابل عدم التكيف. بالإضافة إلى التكيف مع التنوع ، يمكن أن تكون تدابير التكيف الأخرى ، مثل تغيير مواعيد البذر (Waha et al. ، 2012) ، واستغلال إمكانات فترات النمو الأطول في المناطق التي تكون فيها فترات النمو محدودة حاليًا بدرجات الحرارة الباردة ، أو التحول إلى محاصيل مختلفة. مفيد ويجب التحقيق فيه بشكل مشترك في مزيد من الدراسات. لا يأخذ تمرين النمذجة المستخدم هنا في الاعتبار التحولات في مواعيد البذر لأن هذا لم يكن جزءًا من البروتوكول التجريبي لمجموعة البيانات الأساسية (Franke ، Müller ، Elliott ، Ruane ، Jägermeyr ، Balkovic ، et al. ، 2020). يمكن أن يساهم تحويل مواعيد البذر والحصاد إلى فترات أكثر برودة في التكيف في المناطق ذات الاتساع الكافي لدرجة الحرارة ويساعد في استغلال مجموعة الأصناف الحالية للتكيف (Minoli et al.، 2019 Waha et al.، 2012). ومع ذلك ، فإن توافر المياه وعوامل أخرى مثل قيود دوران المحاصيل وخطر أحداث الصقيع المبكرة قد تمنع مثل هذا التكيف ، ولكن يمكن استكشافها في الدراسات المستقبلية.

يمكن أيضًا التحقيق في التحول إلى محاصيل مختلفة كتدبير للتكيف ، ولكنه سيتطلب اعتبارات لتفضيلات المستهلكين الإقليميين وتعديلات سلسلة التوريد. يمكن أن يؤدي تغيير أنماط استخدام الأراضي مع ارتفاع درجة حرارة المناخ إلى نقل الأراضي الزراعية إلى مناطق أكثر ملاءمة ولكنها غير مزروعة حاليًا ، على الرغم من احتمال أن يكون ذلك على حساب النظم البيئية الطبيعية والتنوع البيولوجي (Mbow et al.، 2019 Zabel et al.، 2014، 2019). في المقابل ، يوفر التكيف المتنوع فرصة لزيادة المرونة دون الحاجة إلى تغيير استخدام الأراضي أو تحويل المناطق الزراعية إلى مناطق غير مستخدمة سابقًا (Morales-Castilla et al. ، 2020) ، وبالتالي منع الآثار السلبية على التنوع البيولوجي.

هناك حاجة لجهود التربية الخاصة بكل منطقة للسماح بالتكيف الناجح. تسلط المناطق الساخنة المحددة لتربية المحاصيل الضوء على حدود وتحديات التكيف مع التنوع. يمكن اعتبارها بمثابة مدخلات في النماذج الاقتصادية لوضع افتراضات خاصة ببرنامج SSP والمنطقة حول التكيف مع الصنف وقيوده. من خلال سد الفجوة بين التنميط الجيني ، والتنميط الظاهري ، والمعايير المستخدمة في نماذج المحاصيل (Chenu et al. ، 2017 Marshall-Colón & Kliebenstein ، 2019 Marshall-Colon et al. ، 2017 Peng et al. ، 2020) ، يمكن للمزارعين الاستفادة من المنصات الرقمية لاختيار أفضل الأصناف المناسبة.


دعم المعلومات

شكل S1: كانت خلايا ترميز الطور المكاني ذات شكل ثيتا وذات إيقاعية.

نعرض توزيعات تسجيلات الوحدة المفردة مع معلومات المرحلة المكانية غير المهمة أنامرحلة ("ترميز غير مرحلي" ، n.s. ، برتقالي ن = 840) أو كبير أنامرحلة ("ترميز الطور" ، ص & lt 0.02 ، أزرق ن = 233 طريقة). تُظهر مخططات الكمان تقديرات كثافة النواة الغاوسية (باستخدام قاعدة النطاق الترددي لسكوت) التي تم تسويتها حسب حجم المجموعة لكل خطوط فاصلة طويلة مقسمة ، وخطوط متوسطة للشرطة القصيرة ، والربيع الأول / الثالث. (أ) تحتوي تسجيلات ترميز الطور على معدلات إطلاق مكاني قصوى (متوسط ​​، 7.35 طفرة / ثانية) تم توزيعها أعلى من التسجيلات غير المرمزة. (ب) كانت التقديرات المستندة إلى مخطط الارتباط التلقائي لتكرار الاندفاع (الطرق) متشابهة (الوسيط: ترميز الطور ، 7.66 ثانية −1 ترميز غير طوري ، 7.65) ، ولكن تم توزيع تسجيلات ترميز الطور بشكل أضيق (النطاق الرباعي: 0.524) من التسجيلات غير المرمزة (1.031). (C) تُظهر مؤشرات تعديل وإيقاع ثيتا (الطرق) أن تسجيلات ترميز الطور تم توزيعها بشكل أعلى ، ولكن هذا يرجع على الأرجح إلى الكثافة السكانية الفرعية ذات الإيقاع المنخفض الواضحة في تسجيلات الترميز غير الطور. تُظهر المخططات الشريطية المتقطعة كل نقطة بيانات ترميز طور. (D + E) تحتوي خلايا ترميز الطور المكاني على ارتباطات طور معدل موزعة على نطاق واسع. (د) أنامرحلة بالنسبة لخلايا ترميز الطور (الوسيط ، 0.36 بت) تم انحرافه بشكل إيجابي عبر نطاق واسع ([0.012 ، 3.67] بت). (هـ) الانحدارات الخطية الدائرية للطور المتوسط ​​على المعدل المتوسط ​​بناءً على بكسلات الخريطة المكانية. تم توزيع التسجيلات غير المرئية حول الصفر. أظهر معامل الارتباط (يسار) وإزاحة الطور الكلي (الطرق اليمنى) توزيعات أوسع لترميز الطور من خلايا الترميز غير الطورية: قارن الرباعيات (خطوط الشرطة القصيرة) وذيول السمنة التي تعكس الارتباطات السلبية والإيجابية الزائدة. تم حساب التحول الكلي للمرحلة (يمين) عن طريق تطبيع معدل الانحدار (وسط).

الشكل S2: خلايا فيزر: معدلات إطلاق معتدلة وترميز طور مكاني ثابت.

(أ) تُظهر مؤامرات الكمان توزيعات تقارن تسجيلات ترميز الطور المكاني (ذات قيمة كبيرة أنامرحلة) التي لم يتم تحديدها ("غير متصفّح" ن = 233) أو تم اختيارها ("فايزر" ن = 101) بمعايير خلية فايزر (انظر القائمة المرقمة للمعايير التي تسبق الشكل 2 في النتائج). (يسار) كان الحد الأقصى لمعدلات إطلاق النار المكاني لتسجيلات خلية الطور نطاقًا مقيدًا إلى حد كبير (فاصل رُبعي ، [5.34 ، 9.86] ثانية -1) مقارنة بالتسجيلات غير المرحلية ([2.94 ، 20.4]). لاحظ أن الحد الأدنى لمعدل إطلاق النار البالغ 3.5 مسامير / ثانية كان أحد معايير خلية الطور ، و ذ- يتم اقتطاع المحور ، من أجل الوضوح ، البيانات غير المتقطعة التي تظهر في الشكل S1 ، اللوحة A. النطاق المرصود يتناسب مع النشاط الذي ، في المتوسط ​​، يتكون من 1 أو 2 طفرة لكل دورة ثيتا عند ترددات ثيتا من 5-12 هرتز. من الناحية النظرية ، فإن وجود عدد أقل من المسامير في دورة ثيتا يقلل من الحد الأدنى لتباين طور السنبلة ، مما قد يعزز فعالية الترميز الزمني عن طريق الطور التذبذب. (يمين) تم توزيع إيقاع ثيتا لتسجيلات خلية الطور بالمثل ، ولكن أقل قليلاً من تسجيلات الخلايا غير المتقطعة. (ب) خلايا Phaser المسجلة عبر عدة أيام (ن = 19) أظهر ثباتًا كبيرًا في القياسات اليومية لكميات ترميز الطور: معلومات الطور المكاني (يسار) وتحول الطور الكلي (يمين). كانت القفزات الكبيرة (أو تغيير الإشارات لتحولات الطور) نادرة نسبيًا (3/19 خلية). بيانات تحول الطور (يمين) هي أساس الرسم البياني لترميز الطور داخل الخلية الزوجي في الشكل 2E. يتم عرض التسجيلات المصنفة على مراحل لكل خلية فقط. يتم ترميز الخطوط بالألوان إلى خلايا فريدة.

S3 التين.التوزيع التشريحي وتشفير المسار الفراغي لتسجيلات خلية الطور.

(أ) عدد الخلايا التي تم تحديدها بشكل فريد مع تسجيل واحد على الأقل سلبيًا أو إيجابيًا. (يسار) توزيعات مواقع خلايا الطور المسجلة عبر مناطق الدماغ. هيب. = قرن آمون ثال. = المهاد الآخر يشمل النواة المتكئة ، النواة المذنبة ، والبوتامين. (يمين) التوزيع عبر مواقع التسجيل الحاجز. IG = indusium griseum LS = الحاجز الجانبي LSD = النواة الظهرية للحاجز الجانبي LSI = النواة الوسيطة للحاجز الجانبي Ld = منطقة الحاجز اللامبي SHi = نواة الحاجز - الحصين UNK = غير معروف gcc = الجين من الجسم الثفني. (ب) مقارنة معلومات المرحلة المكانية أنامرحلة مع محتوى معلومات الارتفاع (الطرق [45]) للموضع ("معلومات المعدل المكاني" يسار) ، والاتجاه (وسط) ، والسرعة (يمين). حملت معظم خلايا الطور معلومات قوية عن المعدل المكاني (يسار) وحملت أقلية اتجاهًا منخفضًا نسبيًا (وسط) أو معلومات سرعة (يمينًا). النجوم: دوائر التسجيلات الحصينية (hipp.): التسجيلات غير الحصينية (وليس hipp.). الخطوط المتقطعة: الخطوط الصلبة المتكافئة: المربعات الصغرى المنحدرات المثلى. (ج) كشفت مؤشرات تعديل معدل إطلاق النار المستندة إلى المسار (الطرق) عن مصدر محتمل للتحيز في التسجيلات المكانية. الرسوم البيانية: مؤشرات تعديل للاتجاه (يسار) والسرعة (يمين) ، بيانات موجبة مركبة على سالبة. الخط الرمادي: تقدير كثافة النواة (0.05 عرض النطاق الترددي غاوسي) لتسجيلات الخلايا غير المتقطعة (مقياس عشوائي للمقارنة المرئية).

شكل S4. منحنيات التنظيم والانكماش المستخدمة لتدريب نماذج GLM.

قمنا بتدريب GLMs للتنبؤ بأعداد الارتفاع في فترات 300 مللي ثانية بناءً على المكاني (إل, س, دبليو) و / أو قائم على المسار (س, د) المتغيرات (الطرق). بالنسبة للتحليل (الشكل 5B + 5C S6 Fig) ، تم تدريب النموذج واختباره على شبكة مكانية 3 × 3 (C) ، ومع ذلك ، تم اشتقاق معلمة العقوبة المستخدمة للتدريب عن طريق تحسين النموذج على شبكة 2 × 2 (B) ). كانت كلتا القيمتين متشابهتين ، ولكن تم استخدام القيمة 2 × 2 (B ، أسفل) لأن الاحتمالية الاتجاهية بلغت ذروتها بشدة وكان النموذج يلتقط استجابات الجدار بشكل أفضل لأن الشبكة المركزية للنموذج 3 × 3 تم عزلها عن الجدران. تم تدريب GLM الذي استخدمناه لتوليد مدخلات مكانية لمحاكاة طور المجال المفتوح ثنائية الأبعاد الواقعية فقط على المتغيرات المكانية (شبكة A ، 1 × 1). (أعلى) أوزان النموذج المطلقة لكل متغير. (الصف الثاني) تسوية Softmax لأوزان النموذج المطلقة. (الصف الثالث) أخطاء توقع العد التصاعدي. (الصف الأخير) احتمال النموذج هو softmax دبليو (أ) أو د (ب + ج) مقسومًا على خطأ التنبؤ (طرق المعادلة (14)). أقصى احتمال α تم اختيار المعلمة (الدائرة الحمراء) على أنها 2- عقوبة التسوية لانحدارات التلال.

S5 التين. عمليات إعادة بناء مخطط معدل GLM للخلايا الاتجاهية على سبيل المثال.

لإظهار أن نموذج LQW-SD 3 × 3 يمكنه إعادة بناء خرائط نسب الخلايا الاتجاهية بدقة ، نعرض مثالاً لخلايا ذات اتجاه متجانس (A) وغير متجانس (B). (أ) تشير معدلات إطلاق النار القصوى القصوى والتشكيل المكاني الشبيه بالهلال إلى أن هذه قد تكون خلايا أو خلايا باتجاه الرأس مع مدخلات اتجاه الرأس. كانت تنبؤات الاتجاه (الأسهم) الخاصة بـ GLM كبيرة باستمرار ومتوافقة جيدًا عبر أقسام الشبكة. (ب) التسجيلات ذات الاتجاهية غير المتجانسة أظهرت الحد الأدنى من التعديل المكاني ولكنها تضمنت الاتجاه المركزي (يسار) واتجاه عقارب الساعة (وسط) أو عكس اتجاه عقارب الساعة (يمين).

S6 Fig. أوزان GLM ومساهمات كل تسجيل خلية فيزر.

يتم عرض أوزان GLM (A + B) والمساهمات القصوى (C-E) لتسجيلات خلية فايزر في مخططات مصفوفة pseudocolor. بالنسبة إلى التصور ، يتم تقديم التسجيلات بنفس الترتيب في كل قسم من أقسام الشبكة ومتوسط ​​الشبكة وفقًا للقيمة المتوقعة لأوزان نموذج الشبكة متوسط ​​الشبكة للخلية إلى اليسار (باتجاه إل، أي أكثر مكانية) أو يمينًا (نحو د، أي أكثر ذات الصلة بالمسار). للكشف عن بنية النموذج ، تم تسوية مجموع كل صف متغير في قسم الشبكة ومخططات الشبكة المقترنة (A + B ، C + D) تشترك في مقاييس الألوان. (E) يتم عرض متوسطات المساهمة من (D) حسب النوع الفرعي لخلية الطور: سلبي (يسار) وإيجابي (يمين). أظهر النوعان الفرعيان أنماطًا عكسية متشابهة نوعياً للمكان (إل, س) مقابل السرعة ذات الصلة (س) مساهمات في إطلاق النار.

S7 التين. نموذج العصبون المستهدف الذي ينفجر ثيتا الصاخبة: تزامن النبض.

تم ضبط نموذج انفجار جوهري (Eq (11) [51]) مع إدخال ثابت (الجدول 4) لإطلاق رشقات نارية مزدوجة (A) بالقرب من تردد ثيتا المرجعي ، 7.5 هرتز. الانحراف بين التردد المرجعي ومعدل الرشقات الناتج ، 7.519 رشقة / ثانية ، يعني أن مرحلة ثيتا للوحدة (B) تنجرف ببطء (مسبقة) بمرور الوقت (الخط الرمادي). لاختبار ما إذا كان يمكن مزامنة هذه الوحدة طورًا عن طريق التحفيز الدوري ، قمنا بمحاكاة نبضة لحظية (الخامسالخامس+ 15mV) كل دورة ثيتا الأخرى عند ذروة ثيتا (0 راديان). هذه الوحدة المتزامنة النبضية (B ، الخط البرتقالي) تأخرت بشكل رتيب نحو ذروة ثيتا ثم (حوالي 5 ثوانٍ في المحاكاة) قفزت بشكل متقطع عبر قمة ثيتا قبل أن تتقدم ببطء إلى ما قبل الذروة مباشرة. هذه الديناميكية ، من القفز للأمام والدفع للخلف ، تتكرر (حوالي 9 ثوان) وتستمر بشكل نمطي. غلف نمط سن المنشار ديناميكيات ثيتا للنموذج. لعمليات المحاكاة باستخدام مدخلات شبكة Phaseer ، أضفنا تيار إدخال عشوائي إلى نموذج "انفجار الهدف" (Eq (11)). اخترنا مستوى ضوضاء (الجدول 4) يحافظ على انفجار ثيتا (C ، مثل الشكل 7C ، داخلي) ولكنه تسبب في انجراف طور الانفجار بشكل عشوائي خلال محاكاة 30 ثانية (D ، نقاط رمادية ، 36 تجربة). مع الضوضاء ، كان تحفيز النبض قادرًا على إعادة إنتاج نمط سن المنشار للتزامن (D ، الخط البرتقالي).

S8 التين. 1D فايزر-الهدف عبر مستويات المدخلات والضوضاء.

نعرض عمليات محاكاة إضافية لمدة ساعة واحدة لشبكة هدف الطور 1D الموضحة في الشكل 7F + 7G. (أ) مع كسب المدخلات من أدوات الطور الثابتة (الجدول 4) ، والمحاكاة مع 0.0σ, 0.1σ, 0.3σو 0.5σ أظهرت مستويات الضوضاء أن الأوضاع الخاضعة للإشراف لرمز الطور الاصطناعي ظلت تعمل عبر مستويات مختلفة من الضوضاء. (ب) مع تثبيت مستوى الضوضاء عند 0.3σ، يمكن مقارنة تأثير كسب المدخلات الصفرية (أعلى اليسار) بمستويات أضعف (أعلى اليمين) وأقوى (أسفل اليمين) لمدخلات الطور. أدى ضعف إدخال الطور (أعلى اليمين) إلى إدخال مفجر الهدف ، ولكن تم تمديد مسارات الطور بسبب التطور البطيء لقفل الطور على النهج تجاه المواضع 0 أو 1.

S9 التين. عينات أولية من نموذج LQW-phaseers في محاكاة المجال المفتوح.

(أ) يتم عرض أزواج خريطة النسبة / خريطة الطور لـ 50/1000 مطور سلبي من محاكاة المجال المفتوح ثنائية الأبعاد الواقعية (الشكل 8). كانت استجابة المعدل والمرحلة لكل مطور مدفوعة بوظيفة مكانية تم أخذ عينات منها بشكل عشوائي من نموذج الإدخال التوليدي LQW (S10 الشكل ، اللوحة A). في خرائط الطور ، لاحظ أن أدوات الطور تقدمت من مرحلة ما قبل ذروة ثيتا (عجلة الألوان ذات اللون الأخضر المتجه في الأسفل) إلى منطقة ثيتا (الوردي) من المناطق ذات المعدل المنخفض إلى المرتفع. تعكس وحدات بكسل خريطة الطور المفقودة عددًا غير كافٍ من المسامير القريبة من أجل المتوسط ​​المكاني. (ب) يتم عرض أزواج خريطة Ratemap / خريطة الطور لـ 50/1000 من مراحل الطور الإيجابية. كان معدل الاستجابة والمرحلة لكل مطور مدفوعًا بإثارة ثيتا وتثبيط التغذية من مطور سلبي مع مدخلات مكانية متولدة من LQW (A). في خرائط الطور ، لاحظ أن الفاسر تأخر من ذروة ثيتا (أخضر) إلى منتصف الطريق خلال مرحلة السقوط (أزرق / أخضر π / 2 راديان). مثل النموذج 1D (الشكل 6) وتسجيلات خلية الطور (الشكل 4) ، كان اقتران طور المعدل الإيجابي أضعف من السلبي.

S10 الشكل. فك التشفير Bayesian لمرحلة الرشقة المستهدفة من محاكاة المجال المفتوح.

تمت محاكاة محاكاة واقعية ثنائية الأبعاد للفاسور والخلايا العصبية المستهدفة وتم فك تشفير نشاط الانفجار للخلايا العصبية المستهدفة لتقييم تصحيح خطأ الموضع (الطرق). (أ) يتم توضيح الخطوات لأخذ عينات من وظائف الإدخال المكاني من النموذج التوليدي لمطوري الطور السلبي (الطرق). من اليسار إلى اليمين: تم تعلم تسجيلات خلية Phaser (أمثلة من الشكل 4 أ) بواسطة نموذج 1 × 1 LQW (Eq (3)) وتم تطبيع وظائف التوقع الخطي إلى [0 ، 1] مع عدم خطية سيني. لإنشاء مدخلات مكانية جديدة ، اخترنا عشوائيًا إحدى هذه الوظائف المكانية المعيارية ، وأضفنا 20٪ ضوضاء غاوسية إلى معلمات LQW ، وقمنا بتدوير إطار الإحداثيات بشكل عشوائي. (ب) كانت الشبكات المستهدفة عبارة عن مجموعات بسيطة من وحدات التفجير المستهدفة. تباينت المجموعة الحلقية من الحفارات المستهدفة عبر تعويضات الطور (البرتقالي) ، اختلفت مجموعات المرحلة 1 والمرحلة 2 عبر الاتجاه المفضل عند تعارضات الطور المتعارضة (الأزرق والأخضر). (C) مخططات الربط التلقائي الزمنية المعيارية لخطأ فك التشفير للمجموعات كاملة الحجم (64 وحدة في كل مجموعة 192 وحدة لتوليفة جميع المجموعات). يشير عرض الارتباط إلى النطاق الزمني لتصحيح الخطأ ، والذي تم قياسه كمقياس زمني HWHM في الشكل 8H (الطرق).

فيلم S1. حصر طور المجال المفتوح ثنائي الأبعاد التنافسي عبر تعويضات الطور المكاني.

اختلفت أكواد الطور المكاني في الشكل 8 ب عن طريق إزاحة الطور المرجعي لرمز الطور الشبيه بـ VCO. نعرض هنا فيلمًا تتكرر فيه الإطارات من خلال 64 وحدة في مجموعة Ring للرسوم المتحركة المستهدفة (S10 الشكل ، اللوحة B ، البرتقالية) التي تمت محاكاتها بمسار سلوكي 600 ثانية. يتحرك رمز الطور الخاضع للإشراف (أعلى اليسار) بسلاسة على طول القطر بزاوية 45 درجة لدورة كاملة ، مما يسمح بتكرار الفيديو. تنافست مناطق المزامنة السالبة / الإيجابية الواسعة (الوردي / الأزرق) لترميز البيئة لكل من أجهزة المسح المستهدفة المختلفة في المجموعة. (أعلى اليمين) توزيع الطور الفضائي لإدخال شبكة الطور الكلي إلى مفجر الهدف. (أسفل اليسار) خريطة طور الاندفاع لإخراج المتفجرة المستهدفة.

فيلم S2. دخول مطور المجال المفتوح ثنائي الأبعاد التنافسي عبر الاتجاه المفضل: المرحلة 1.

رموز الطور المكاني في الشكل 8 ب لها اتجاه مفضل 45 درجة ، والذي يحدد الاتجاه الزاوي لكود الطور الشبيه بـ VCO. نعرض هنا فيلمًا تتكرر فيه الإطارات من خلال 64 وحدة في مجموعة المرحلة 1 من البنادق الهدف (S10 الشكل ، اللوحة B ، الأزرق) التي تمت محاكاتها بمسار سلوكي 600 ثانية. يدور رمز المرحلة الخاضعة للإشراف (أعلى اليسار) بسلاسة لدورة كاملة ، مما يسمح بتكرار الفيديو. مع إزاحة الطور هذه (0.0 ، في وسط الساحة) ، قام الطور السلبي بمزامنة منطقة حدودية (برتقالية / وردية) على طول الاتجاه المفضل. (أعلى اليمين) توزيع الطور الفضائي لمدخل شبكة الطور الكلي إلى مفجر الهدف. (أسفل اليسار) خريطة طور الاندفاع لمخرج مفجر الهدف.

فيلم S3. دخول مطور المجال المفتوح ثنائي الأبعاد التنافسي عبر الاتجاه المفضل: المرحلة 2.

رموز الطور المكاني في الشكل 8 ب لها اتجاه مفضل 45 درجة ، والذي يحدد الاتجاه الزاوي لكود الطور الشبيه بـ VCO. نعرض هنا فيلمًا تتكرر فيه الإطارات من خلال 64 وحدة في مجموعة المرحلة 2 من المسدسات المستهدفة (الشكل S10 ، اللوحة B ، الخضراء) التي تمت محاكاتها بمسار سلوكي 600 ثانية. يدور رمز المرحلة الخاضعة للإشراف (أعلى اليسار) بسلاسة لدورة كاملة ، مما يسمح بتكرار الفيديو. مع إزاحة هذه المرحلة (π ، في وسط الساحة) ، قام جهاز الطور الإيجابي بمزامنة منطقة حدية (أزرق / أخضر) على طول الاتجاه المفضل. (أعلى اليمين) توزيع الطور الفضائي لإدخال شبكة الطور الكلي إلى مفجر الهدف. (أسفل اليسار) خريطة طور الاندفاع لإخراج المتفجرة المستهدفة.


ثالثا. زراعة البكتيريا

أ. طرق الحصول على الثقافات النقية (ثقافة تحتوي على نوع واحد فقط من الكائنات الحية)

1. طريقة لوحة الخط & # 150 يتم التقاط البكتيريا في حلقة سلكية معقمة ، ويتم تحريك السلك برفق على طول سطح أجار ، مما يؤدي إلى ترسيب خطوط من البكتيريا على السطح. الحلقة ملتهبة ويتم التقاط عدد قليل من البكتيريا من المنطقة المودعة بالفعل وخطوطها على منطقة جديدة. يتم ترسيب عدد أقل من البكتيريا مع استمرار الخطوط ، ويتم حرق الحلقة بعد كل خط. الكائنات الحية الفردية (الخلايا الفردية) تترسب في المنطقة المخططة أخيرًا. بعد تحضين الصفيحة عند درجة حرارة مناسبة لنمو الكائن الحي ، تظهر مستعمرات صغيرة (كل مشتق من خلية بكتيرية واحدة). تُستخدم الحلقة لالتقاط جزء من مستعمرة معزولة ونقلها إلى وسط آخر للدراسة. يضمن استخدام تقنية التعقيم أن الوسيط الجديد سيحتوي على كائنات من نوع واحد. سنفعل ذلك في المختبر.


نتائج ومناقشة

الأنماط العامة للتعبير الجيني

تم تحديد ما مجموعه 540 من استنساخ (كدنا) على أنها معبر عنها بشكل تفاضلي عن طريق تصفية البيانات لتشمل استنساخ (كدنا) التي غيرت مستويات تعبيرها على الأقل مرتين مقارنة بالعينة المرجعية المناسبة في نقطة زمنية واحدة على الأقل (الأشكال 3 ، 4 ، 5). بالنسبة لمعظم النصوص التي تم العثور على أنها تستجيب لدرجة الحرارة ، كانت التحولات في التعبير الجيني عادةً بين تغييرات ثنائية وأربعة أضعاف ، على الرغم من أن بعض النصوص (على سبيل المثال ، النصوص التي تشفر لمجموعة البروتين B1 عالي الحركة و HMG-CoA synthase) شهدت ستة إلى عشرة أضعاف التغييرات في الوفرة النسبية. من المحتمل أن يكون استخدام معيار القطع التعسفي ذو الشقين نهجًا متحفظًا لتحديد الجينات التي تتغير مستويات التعبير عنها ، لأن التأثيرات المهمة من الناحية الفسيولوجية قد تنشأ من التحولات في التعبير الجيني التي تقل عن ضعفين. اعتمدنا هذا النهج المحافظ بسبب التحديات التي واجهتنا في تصميم تجارب السلاسل الزمنية من هذا النوع والتي يمكن أن تخضع للتحليل الإحصائي التقليدي. في تصميم هذه التجارب ، التي تضمنت أخذ العينات في العديد من النقاط الزمنية ، لم يكن لدينا بداهة أساس للتنبؤ بأوقات أخذ العينات التي تكون فيها التغييرات في التعبير الجيني أكبر. وبالتالي ، كان علينا التوصل إلى حل وسط بين الحصول على البيانات في عدد كبير من النقاط الزمنية مع الحاجة إلى أحجام عينات كبيرة في كل نقطة زمنية. لقد استنتجنا أنه على الرغم من أن تصميمنا يستبعد إجراء التحليل الإحصائي في جميع النقاط الزمنية ، إذا كانت الاتجاهات المعتمدة على الوقت موجودة ، فستظهر بوضوح في البيانات ، كما لاحظنا بالفعل وناقشنا أدناه. في هذه الدراسة الاستكشافية ، بعد ذلك ، نناقش الأنماط في التعبير الجيني التي تعكس استجابات زمنية مميزة ، في كل من ظروف ركوب الدراجات وحالة التأقلم المستقرة ، لكننا نمتنع عن الإشارة إلى هذه الأنماط على أنها ذات دلالة إحصائية. ومع ذلك ، فإن التغييرات الزمنية في التعبير الجيني التي نناقشها (على سبيل المثال ، تلك التي يرتبط تعبيرها بالدورة اليومية لدرجة الحرارة انظر الشكل 4) تظهر انتظامًا لا يمكن تفسيره بسهولة على أنه مجرد ضجيج في البيانات. تمثل هذه المستنسخات (cDNA) الجينات المشاركة في مجموعة متنوعة من الوظائف الخلوية والعضوية (الشكل 5). عند مناقشة هذه الجينات المعبر عنها تفاضليًا ، نقدم أولاً نظرة عامة عامة على التأثيرات الحرارية على التعبير الجيني ، ثم نفحص الأنظمة الفسيولوجية المحددة التي تبدو أكثر استجابة لدرجة الحرارة في ظل حالة الاستقرار أو ظروف ركوب الدراجات.

جينات ذات نمط تعبير دوري استجابة لتقلبات درجة الحرارة. يتم تنظيم ملفات تعريف التعبير الجيني عن طريق تحول الطور بالنسبة لدورة درجة الحرارة في التأقلم مع درجة الحرارة المتغيرة. تم تنظيم كل مجموعة تحول طور باستخدام خوارزمية ربط كاملة (Peterson ، Eisen غير المركز وآخرون ، 1998). يمثل كل صف نسخة واحدة (كدنا) وكل عمود يمثل نقطة زمنية في دورة وقت التأقلم. حوالي 40 ٪ من 540 cDNA المستنسخة التي تم التعبير عنها تفاضليًا لها نمط تعبير دوري استجابة لدورة درجة الحرارة كما هو محدد بواسطة تحليل الارتباط المتبادل. بالنسبة لدورات التحكم اليومية (26 درجة مئوية) والتأقلم المستمر إلى 20 درجة مئوية و 37 درجة مئوية ، يتم تصحيح أنماط التعبير بالنسبة إلى ر= 0. لمعالجة درجة الحرارة المتذبذبة ، يتم تقديم البيانات المتعلقة بـ ر= 0 وكذلك مع طرح إيقاعات الساعة البيولوجية (المسمى "تأثير درجة الحرارة"). سيكون لملفات درجة حرارة الدراجات المعروضة مع الإيقاعات اليومية المطروحة نمط تعبير بالقرب من نسبة 1: 1 مع عناصر التحكم إذا كان هناك تأثير ضئيل لدرجة الحرارة على التعبير الجيني (انظر المواد والطرق لمناقشة موسعة). تتوافق الأحرف الموجودة على الهامش الأيمن من الشكل مع الرسوم البيانية الخطية المعروضة في الشكل 4. بالنسبة لأنماط التعبير الجيني غير الدورية ، انظر الشكل التكميلي 1.

جينات ذات نمط تعبير دوري استجابة لتقلبات درجة الحرارة. يتم تنظيم ملفات تعريف التعبير الجيني عن طريق تحول الطور بالنسبة لدورة درجة الحرارة في التأقلم مع درجة الحرارة المتغيرة. تم تنظيم كل مجموعة تحول طور باستخدام خوارزمية ربط كاملة (Peterson ، Eisen غير المركز وآخرون ، 1998). يمثل كل صف نسخة واحدة (كدنا) وكل عمود يمثل نقطة زمنية في دورة وقت التأقلم. حوالي 40 ٪ من 540 cDNA المستنسخة التي تم التعبير عنها تفاضليًا لها نمط تعبير دوري استجابة لدورة درجة الحرارة كما هو محدد بواسطة تحليل الارتباط المتبادل. بالنسبة لدورات التحكم اليومية (26 درجة مئوية) والتأقلم المستمر إلى 20 درجة مئوية و 37 درجة مئوية ، يتم تصحيح أنماط التعبير بالنسبة إلى ر= 0. لمعالجة درجة الحرارة المتذبذبة ، يتم تقديم البيانات المتعلقة بـ ر= 0 وكذلك مع طرح إيقاعات الساعة البيولوجية (المسمى "تأثير درجة الحرارة"). سيكون لملفات درجة حرارة الدراجات المقدمة مع الإيقاعات اليومية المطروحة نمط تعبير بالقرب من نسبة 1: 1 مع عناصر التحكم إذا كان هناك تأثير ضئيل لدرجة الحرارة على التعبير الجيني (انظر المواد والطرق لمناقشة موسعة). تتوافق الحروف الموجودة على الهامش الأيمن من الشكل مع الرسوم البيانية الخطية المعروضة في الشكل 4. بالنسبة لأنماط التعبير الجيني غير الدورية ، انظر الشكل التكميلي 1.

أنماط متنوعة من التعبير الجيني الدوري. يمثل الخط المنقط في كل رسم بياني نسبة 1: 1 بالنسبة لعنصر التحكم المناسب. تتوافق الأحرف الموجودة على الهامش الأيسر من الشكل مع نفس الأحرف في الشكل 3. ويتم تمثيل دورة درجة الحرارة بالخط الرمادي الفاتح.

أنماط متنوعة من التعبير الجيني الدوري. يمثل الخط المنقط في كل رسم بياني نسبة 1: 1 نسبة إلى عنصر التحكم المناسب. تتوافق الأحرف الموجودة على الهامش الأيسر من الشكل مع نفس الأحرف في الشكل 3. ويتم تمثيل دورة درجة الحرارة بالخط الرمادي الفاتح.

أنماط التعبير الجيني مجمعة حسب الوظيفة الخلوية. يتم عرض البيانات كما هو موضح في الشكل 3. (أ) بروتينات الصدمة الحرارية والمرافقات الجزيئية (ب) الكوليسترول والتمثيل الغذائي للدهون (C) ناقلات المواد المذابة (D) تحلل السكر / استحداث السكر ، توازن جلوكوز الدم (E) التمثيل الغذائي الوسيط (F) التمثيل الغذائي للنيتروجين (G) عناصر الهيكل الخلوي (H) دوران البروتين (I) استجابة المرحلة الحادة والبروتينات التكميلية (J) نمو الخلايا وتكاثرها (K) مع وظيفة غير معروفة أو عدم وجود تماثل مع متواليات معروفة. تم تحديد التماثلات الجينية المحتملة باستخدام عمليات بحث Blast في قاعدة بيانات تسلسل GenBank. يتم سرد النتائج الأكثر أهمية أو ذات الصلة لعمليات البحث عن التماثل هذه في الجدول التكميلي 1 ، وكذلك أرقام الانضمام لتسلسل الحمض النووي للنسخ المستنسخة (كدنا) المقدمة في هذه الورقة.

أنماط التعبير الجيني مجمعة حسب الوظيفة الخلوية. يتم عرض البيانات كما هو موضح في الشكل 3.(أ) بروتينات الصدمة الحرارية والمرافقات الجزيئية (ب) استقلاب الكوليسترول والدهون (ج) ناقلات المواد الذائبة (د) تحلل السكر / استحداث السكر ، توازن جلوكوز الدم (هـ) التمثيل الغذائي الوسيط (F) استقلاب النيتروجين (G) عناصر الهيكل الخلوي (H) دوران البروتين (I) استجابة المرحلة الحادة والبروتينات التكميلية (J) نمو الخلايا وتكاثرها (K) المستنسخات ذات الوظيفة غير المعروفة أو عدم وجود تماثل مع التسلسلات المعروفة. تم تحديد التماثلات الجينية المحتملة باستخدام عمليات بحث Blast في قاعدة بيانات تسلسل GenBank. يتم سرد النتائج الأكثر أهمية أو ذات الصلة لعمليات البحث عن التماثل هذه في الجدول التكميلي 1 ، وكذلك أرقام الانضمام لتسلسل الحمض النووي للنسخ المستنسخة (كدنا) المقدمة في هذه الورقة.

قد تظهر التغييرات في التعبير الجيني لعدة أسباب ، قد لا يرتبط بعضها على وجه التحديد بالتغيرات في نشاط المنتجات الجينية (مثل البروتينات). على سبيل المثال ، قد تتطلب النصوص شديدة التقلب أو التي لها عمر نصف قصير جدًا نسخًا ثابتًا للحفاظ على مستويات النسخ الفسيولوجية ، وقد يتفاقم هذا بسبب التغيرات في البيئة المادية التي تزعزع استقرار نصوص الرنا المرسال أو استقرارها. من الممكن أيضًا حدوث تغييرات كبيرة في نسخ الجينات دون تغيير مستوى البروتين المعبر عنه إذا ارتبطت التغيرات في البروتين أو استقرار الرنا المرسال بالعلاج التجريبي ، أو إذا كان الحمض النووي الريبي هو منتج الجين النشط (الرنا المضاد هو مثال على ذلك). على سبيل المثال ، قد تمثل التغييرات في التعبير الجيني ببساطة محاولة الحفاظ على المستوى الحالي للبروتين في الخلية في مواجهة التغيرات في ترجمة البروتين أو تدهوره. في هذه الحالة ، إذا كان اقتران تدهور البروتين والنسخ ضيقًا ، فقد يكون هناك تغيير كبير في وفرة النسخ دون أي تغيير في وفرة البروتين. على الرغم من أن كمية النسخ في هذه الحالة لا توازي التغيرات في مستوى البروتين ، إلا أنها لا تزال تشير إلى عملية خلوية مهمة يجب تنظيمها عن كثب للحفاظ على الوظيفة الخلوية. قد يكون هذا النوع من التنظيم الجيني على نفس القدر من الأهمية ، وربما أكثر أهمية ، من التنظيم الذي ينتج عنه تغييرات في مستويات البروتين. لذلك ، نجادل في أن معظم التغييرات في وفرة النسخ ، سواء كانت تعكس تأثيرات mRNA واستقرار البروتين أو التغييرات التكيفية في تركيزات البروتين ، من المحتمل أن تكون مهمة في سياق التأقلم مع درجة الحرارة ، خاصة خلال المراحل الأولية من العملية.

لا تتغير مستويات النسخ استجابةً لدرجة الحرارة بطريقة عالمية من شأنها أن تشير إلى تغييرات كبيرة في معدلات تخليق أو تدهور الرنا المرسال عبر جميع الجينات (الشكل 3). في الواقع ، فإن غالبية cDNAs (& gt90٪) تغيرت أقل من ضعفين ، إن وجدت ، استجابة لدرجة الحرارة ، مما يشير إلى تنظيم صارم للغاية لمستويات الحالة المستقرة لنصوص الرنا المرسال أثناء تغيرات درجة الحرارة على نطاق واسع. ومع ذلك ، فقد ثبت مؤخرًا أن معدلات استطالة النسخ في حيوان ثديي في حالة سبات ، كما تم قياسها في فحوصات التشغيل النووي ، لديها حساسية نموذجية لدرجة الحرارة (Q).10≈2–3) (فان بروكيلين ومارتن ، 2002). يشير هذا إلى أن تعويض درجة الحرارة في معدلات النسخ يجب أن يحدث على مستوى بدء النسخ أو التدهور أو كليهما. نقدم بعض الأدلة على أن التحكم العالمي في البدء من خلال أنشطة بروتينات المجموعة B1 عالية الحركة (HMGB1 انظر أدناه ، الشكل 3) قد تلعب دورًا مهمًا في التنظيم العالمي للنسخ استجابة لدرجة الحرارة. ومع ذلك ، من المهم ملاحظة أن التغييرات في وفرة نصوص الرنا المرسال في الخلية يمكن أن تحدث دون تغييرات في معدلات النسخ. على سبيل المثال ، يمكن أن تؤدي التغييرات في معدل دوران الرنا المرسال (مثل تثبيت أو عدم استقرار نسخة) إلى تغييرات في مستويات الرنا المرسال بغض النظر عن معدلات النسخ. وبالتالي ، ليس من الآمن افتراض أن التغييرات في الوفرة النسبية لنصوص الرنا المرسال ترجع إلى التغيرات في معدلات النسخ. لا يمكن معالجة الطبيعة التي يتم من خلالها تغيير مستويات mRNA المحددة إلا من خلال تحقيق أكثر تفصيلاً لكل نوع من أنواع النسخ باستخدام الأساليب التقليدية الخاصة بالجينات.

أنماط الطور المتنوعة في التعبير الجيني المرتبطة بدورة درجة الحرارة

هناك مجموعة متنوعة من أنماط التعبير الجيني المرتبطة بالتأقلم مع درجات حرارة ركوب الدراجات. لفحص هذه الأنماط ، يتم التعبير عن بيانات التعبير الجيني بالنسبة إلى رتم ترتيب = 0 وفقًا لانزياح الطور بالنسبة لدورة درجة الحرارة (الشكل 3). يعرض الشكل 3 مخططًا لتجميع الجينات مع أنماط التعبير التي وجد أن لها ارتباطًا متبادلاً مهمًا من الناحية الإحصائية مع دورة درجة الحرارة. ويوضح الشكل 3. أنماط التعبير التمثيلية من كل مجموعة تحول طور باستخدام مخططات الخطوط في الشكل 4. وتشمل هذه الأنماط تغييرات في نمط طور التعبير الجيني وكذلك التحولات في سعة ومستوى التعبير. يتم تقليل الوفرة النسبية لبعض النصوص عندما تكون درجات الحرارة مرتفعة (بروتين غشاء ER ، HMGB1) بينما يزداد البعض الآخر مثل hydroxymethyl glutaryl coenzymeA synthase (HMG-CoA synthase). تظهر بعض النصوص (سلسلة الميوسين الثقيلة) نمطًا معقدًا مع وجود قمتين سلبيتين نتيجة لدورة درجة الحرارة. يندمج هذا النمط في ذروة سلبية واحدة مرتبطة بدرجات حرارة عالية بعد أسبوعين من التدوير المستمر لدرجة الحرارة. تُظهر النصوص الأخرى نمطًا واضحًا للدوران مع درجة الحرارة وتظهر أيضًا تحولًا في وفرة النسخ الإجمالية (البروتين التكميلي C7 ، البروتين البروتيني E ، بروتين الصدمة الحرارية 70 كيلو دالتون). تُظهر بعض النصوص استجابة قليلة جدًا خلال دورات درجة الحرارة القليلة الأولى ثم تطور نمطًا للدوران بمرور الوقت (استنساخ غير معروف LU07B24). العديد من النصوص التي تتغير في الوفرة النسبية استجابة لنظام درجة حرارة الدراجات تعود إلى نمط التحكم (على سبيل المثال استنساخ غير معروف LU05K02 ، HMG-CoA synthase) بعد أسبوعين من دورة درجة الحرارة ، بينما يطور البعض الآخر أنماطًا جديدة (سلسلة الميوسين الثقيلة ، بروتين الغشاء ER ). من المثير للدهشة أن عددًا قليلاً من الجينات يتم إيقاف تشغيلها أو تشغيلها استجابةً لدرجات حرارة الدراجات ويبدو أن التعبير عن العديد من الجينات قد يتغير على أساس كل ساعة في ظل ظروف ركوب الدراجات في درجات الحرارة.

درجة الحرارة والإيقاعات اليومية

عدد من النصوص التي وجد أن لها أنماط تعبير تعتمد على درجة الحرارة لها أيضًا إيقاعات يومية قوية تحت درجات حرارة ثابتة (الأشكال 3 ، 4). في جميع الحالات تقريبًا ، يتم تعديل هذه الأنماط حسب درجة الحرارة بطريقة متسقة. على سبيل المثال ، يُظهر بروتين غشاء ER ونصوص سلسلة الميوسين الثقيلة أنماطًا معاكسة للتعبير استجابة لدرجة الحرارة مقارنة بالإيقاع اليومي العادي. تشير هذه البيانات إلى أن الإيقاعات اليومية الطبيعية للتعبير من المحتمل أن يتم تعديلها بقوة بواسطة دورة درجة الحرارة في A. limnaeus. قد تكون بعض الإيقاعات التي لوحظت تحت ظروف المراقبة نتيجة لنظام التغذية المستخدم أثناء الدراسة (تم تغذية الأسماك مرة واحدة يوميًا في الساعة 09:00). يتم دعم هذه الفرضية من خلال عدد النصوص المرتبطة باستقلاب الطاقة (مثل التمثيل الغذائي للدهون والجلوكوز) التي تظهر أنماطًا إيقاعية يومية قوية تحت ظروف التحكم ودرجات الحرارة (الشكل 5). تم الإبلاغ مؤخرًا عن أن إيقاعات الساعة البيولوجية التي لوحظت في كبد الثدييات يمكن أن تدخل في دورة التغذية ، بغض النظر عن دورة الضوء (Stokkan et al. ، 2001). تشير بياناتنا إلى أن الإيقاعات اليومية للتعبير الجيني في ظل الظروف الطبيعية من المحتمل أن تكون نتيجة لمدخلات بيئية وغذائية متعددة في الكبد ومن المرجح أن يكون للتباين في درجة حرارة البيئة تأثير قوي على هذه الاستجابة المتكاملة.

اليومي عكس استجابات التعبير الجيني طويلة المدى لدرجة الحرارة: المبادئ العامة وبيانات الخلفية

تفرض غالبية تجارب التأقلم مع درجة الحرارة في المختبر ظروفًا ثابتة على الكائنات الحية التي تحدث عادةً في البيئات المتغيرة حراريًا والتي تحدث فيها تغيرات يومية في درجة الحرارة. تتضح الحاجة إلى دراسة مثل هذه التقلبات الحرارية قصيرة المدى بناءً على نتائج الدراسات التي أظهرت أن التأقلم مع البيئات الحرارية المتقلبة والثابتة يؤدي إلى أنماط ظاهرية فسيولوجية مختلفة (Lowe and Heath، 1969 Feldmeth et al.، 1974 Otto، 1974 Shrode and Gerking، 1977 Woiwode and Adelman، 1992 Heath et al.، 1993). ركزت معظم هذه الدراسات على التسامح الحراري أو التفضيل الحراري. في جميع الحالات تقريبًا ، أدى التأقلم مع البيئات المتقلبة إلى تحمل حراري أعلى أو نطاق متزايد من التحمل الحراري مقارنة بالتأقلم مع الظروف الثابتة التي تقترب من متوسط ​​درجة الحرارة للتأقلم المتقلب. تشير هذه البيانات إلى أن الحالة الفسيولوجية للأسماك المعرضة لدرجات حرارة متقلبة فريدة حقًا عند مقارنتها بالأسماك التي تتأقلم مع البيئات الثابتة. تدعم بيانات التعبير الجيني المقدمة في هذه الورقة الاستنتاج العام بأن البيئات الثابتة والمتقلبة تثير استجابات نسخية وفسيولوجية مختلفة.

قد يكون للاستجابات المختلفة في التعبير الجيني أثناء التأقلم مع درجات الحرارة الثابتة والمتقلبة التي نوقشت أدناه آثار واسعة على الأنواع الأخرى من الكائنات المائية التي تعيش في بيئات ثابتة ومتقلبة. على سبيل المثال ، تقضي العديد من الكائنات البحرية المدية جزءًا من يومها في ظروف المحيط المستقرة حراريًا نسبيًا ، وأجزاء أخرى من دورة المد والجزر تتعرض للهواء ودرجات حرارة متغيرة أكثر. الكثير مما هو معروف عن بيولوجيا درجة الحرارة لهذه الأنواع هو من التأقلم مع الظروف الثابتة ، ويمكن اكتساب منظور مختلف تمامًا من النظر إلى التأقلم مع التقلبات اليومية في درجات الحرارة. بالإضافة إلى ذلك ، لوحظت الاختلافات في الاستجابات النصية بشكل ثابت عكس قد تشير درجات الحرارة المتقلبة إلى اختلافات في استجابات الكائن الحي لليوم عكس التغيرات الموسمية في درجات الحرارة. في حين أنه من المحتمل أن تكون هناك تقلبات يومية في درجات الحرارة خلال جميع الفصول ، فمن المرجح أن تتغير مستويات درجة الحرارة المتوسطة ، وكذلك اتساع التقلبات. قد تحاكي أنظمة التأقلم المستمر التغيرات الموسمية في متوسط ​​درجة الحرارة اليومية ، وبالتالي قد تؤدي إلى إحداث تغييرات في التعبير الجيني المرتبط بالتعديلات اللازمة للبقاء على المدى الطويل أو للتغيرات الموسمية في التكاثر والتغذية. في المقابل ، قد يتطلب التقلب الكبير في درجة الحرارة على أساس يومي تغييرات فورية أكثر في التعبير الجيني المطلوب للبقاء على المدى القصير ، وبالتالي تستجيب الأسماك عبر المزيد من الآليات المؤقتة التي لا ترتبط بالتعديلات طويلة المدى في علم وظائف الأعضاء.

التعبير الجيني مجمعة حسب الوظيفة الخلوية

من أجل استكشاف المسارات البيوكيميائية والجزيئية التي تتأثر بدرجة الحرارة سواء على نطاق زمني يومي أو طويل الأجل ، قمنا بتنظيم البيانات وفقًا للوظائف الخلوية (الشكل 5). يوضح الشكل 5 تنوع المسارات الخلوية التي تتأثر بدرجة الحرارة عند مستوى النسخ. بالنسبة لكل وظيفة خلوية ، نناقش التغييرات في النسخ التي نشعر بأنها أكثر إفادة لتقييم تأثيرات درجة الحرارة على الوظيفة المعنية. من خلال التركيز على مجموعة فرعية من التغييرات النسخية ، لا ننوي الإيحاء بأن التغييرات الأخرى في التعبير الجيني ليس لها أهمية بالنسبة للعملية المعنية.

المرافقون الجزيئية

عند التعرض الأولي لدورة درجة الحرارة ، يتم حث عدد من المرافقين الجزيئي بشدة (الشكل 5 أ). ومع ذلك ، فإن مستويات النسخ لمعظم هؤلاء المرافقين تعود إلى مستويات التحكم بعد أسبوعين من دورة درجة الحرارة. يتم إحداث نسخ من بروتينات الصدمة الحرارية الصغيرة Hsp27 و Hsp22 بقوة (تحريض من أربعة إلى خمسة أضعاف) من خلال دورات درجة الحرارة الأولية في حين أن بروتينات الصدمة الحرارية الأكبر Hsc70 و Hsp90 يتم تحفيزها بشكل معتدل (& gttwofold) بعد عدة دورات درجة حرارة. ومع ذلك ، يتم تحفيز ترميز النصوص لـ Hsc70 و Hsp90 بشدة عن طريق درجات حرارة مرتفعة بشكل مزمن. تشير هذه الاختلافات في حركية الحث بين فئات مختلفة من بروتينات الصدمة الحرارية إلى استجابة نسخية معقدة لدورة درجة الحرارة تختلف عن التعرض المستمر لدرجات حرارة مرتفعة. يتم أيضًا تحفيز نسخ الأنواع الرئيسية الأخرى من المرافقات الجزيئية ، مثل بروتين إيزوميراز ثنائي كبريتيد (PDI) أو الكالريتيكولين ، والتي يتم تحفيزها مبدئيًا عن طريق دورة درجة الحرارة ، عن طريق التعرض لدرجة حرارة 37 درجة مئوية. هذه البيانات مجتمعة تشير إلى أن A. limnaeus قد تكون درجات الحرارة المرتفعة المزمنة أكثر "إجهاداً" ، أي تسبب تلفاً للبروتين أكثر من التعرض لدرجات حرارة متغيرة باستمرار. يتوافق هذا الاستنتاج مع الموائل الطبيعية المتغيرة التي توجد فيها الأسماك لتزدهر (الشكل 1 أ). الأهمية الواضحة لبروتينات الصدمة الحرارية الصغيرة لبقاء A. limnaeus في موطنها الصحراوي المتغير حرارياً والمتطرف يتفق مع بيانات Hightower et al. (Norris et al.، 1997 Hightower et al.، 1999) لبقاء أسماك الصحراء من المكسيك. يقترح هؤلاء المؤلفون أن Hsp27 قد يلعب دورًا في نقل الإشارة إلى الهيكل الخلوي أثناء إجهاد درجة الحرارة (Norris et al. ، 1997).

تخليق الكوليسترول والأحماض الدهنية - هيكل الغشاء

من المعروف أن الحفاظ على سلامة الأغشية (التكيف المثلي والطور المثلي) جزء مهم من الاستجابة التأقلم لدرجة الحرارة وتشتمل على تغييرات كبيرة في التركيبات الدهنية للأغشية (Hazel ، 1995 Hochachka and Somero ، 2002). وهكذا ، توقعنا أن عددًا من الجينات المرتبطة بالتخليق الحيوي للدهون من شأنه أن يغير تعبيرها استجابةً لدرجات حرارة متقلبة أو طويلة الأمد. في الواقع ، تم تحقيق هذا التوقع (الشكل 5 ب). تم العثور على نسختين ، أحدهما لـ Δ6-fatty acyl desaturase والآخر لاستطالة الأحماض الدهنية المتعددة غير المشبعة ، عن طريق التأقلم المستمر إلى 20 درجة مئوية وقمعه بالتعرض المزمن إلى 37 درجة مئوية. إذا انعكست هذه التغييرات في مستويات النسخ على مستويات البروتين ، فإن هذه البيانات تتوافق تمامًا مع نظرية التكيف المثلي ، والتي تتوقع زيادة في الأحماض الدهنية غير المشبعة طويلة السلسلة في درجات حرارة منخفضة. ومع ذلك ، لا يتم تنظيم هاتين النسختين بشدة أثناء التعرض لدرجات حرارة ركوب الدراجات. يبدو أن إعادة هيكلة الغشاء أثناء دورة درجة الحرارة يمكن أن تتم بوسائل بديلة.

إن إدخال الكوليسترول في طبقات الدهون الثنائية له تأثيرات متعددة على بنية الغشاء ، وبشكل عام ترتبط مستويات الكوليسترول المرتفعة بزيادة درجات الحرارة (روبرتسون وهازل ، 1997). الوفرة النسبية لنسخة إنزيم في مسار التخليق الحيوي للكوليسترول ، سينسيز 3-هيدروكسي -3-ميثيلجلوتاريل- CoA (سينسيز HMG-CoA) (شكل سيتوبلازمي) ، ترتبط ارتباطًا وثيقًا وإيجابيًا بدورة درجة الحرارة (الأشكال 3 ، 4) ، 5). يشير هذا إلى دور للكوليسترول في الحفاظ على سلامة الغشاء أثناء دورة درجة الحرارة. بعد أسبوعين من ركوب الدراجات ، تعود مستويات التعبير عن نسخة سينسيز HMG-CoA إلى مستويات التحكم. تشير هذه العودة إلى مستويات التحكم في النصوص بعد أسبوعين من دورة درجة الحرارة إلى أنه قد تم تحقيق مستوى جديد من الكوليسترول المستقر يكون كافياً للحفاظ على سلامة الغشاء في مواجهة دورة درجة الحرارة ، أو أن الآليات الأخرى ، مثل التغيرات في درجة الحرارة محتوى الأحماض الدهنية المتعددة غير المشبعة ، يمكن استخدامها خلال فترات طويلة من التعرض لدرجات حرارة الدراجات.

يبدو أن نمط نسخة سينسيز HMG-CoA لها إيقاع يومي قد يرتبط بنمط التغذية اليومي (انظر المناقشة أعلاه). تكون مستويات نسخة سينسيز HMG-CoA هي الأعلى في حوالي 3.5 ساعة بعد التغذية (الساعة 12:30 ساعة) تحت ظروف التحكم (26 درجة مئوية ، الشكل 4). ومع ذلك ، أثناء دورة درجة الحرارة ، تبلغ مستويات هذه النسخة ذروتها بقوة 8 ساعات بعد التغذية (4 ساعات بعد درجة حرارة الذروة) وترتبط ارتباطًا وثيقًا بدورات درجة الحرارة الأربع الأولى. من الجدير بالذكر أن تنظيم التخليق الحيوي للكوليسترول لا يُعزى عادةً إلى سينثيز HMG-CoA ولكن إلى اختزال HMG-CoA. في هذه الدراسة ، تم إحداث مستويات نسخ من اختزال HMG-CoA بشكل طفيف أثناء التأقلم مع البرد المزمن (20 درجة مئوية) وقمعها أثناء التأقلم مع ارتفاع درجة الحرارة المزمن (37 درجة مئوية) ، مما يشير إلى عدم وجود استجابة نسخية مناسبة لدرجة الحرارة التي ستكون متسقة مع دور الكوليسترول في نظرية التكيف المثلي الحالية (روبرتسون وهازل ، 1997 Zehmer and Hazel ، 2003). ومع ذلك ، من المعروف أن هذا الإنزيم يتم تنظيمه من خلال تعديلات خيفية وما بعد الترجمة وقد لا يتطلب استجابة نسخية لإحداث تغيير في نشاط الجين. تشير الأدوار البيولوجية العديدة للكوليسترول في فسيولوجيا الكائن الحي ، والتحكم المعقد في تخليق الستيرول ، إلى أن نمط التعبير عن هذا الجين هو نتيجة للتفاعل بين العديد من المسارات المتقاربة.

يوفر نمط التعبير الخاص بالبروتين المرتبط بالتمايز الدهني (ADRP ، الشكل 5 ب) ، الذي يكوِّن النسخ ، دليلًا إضافيًا على أن الكوليسترول مهم على الأرجح للحفاظ على سلامة الغشاء أثناء دورة درجة الحرارة. عندما تكون مستويات نص سينسيز HMG-CoA مرتفعة ، تكون مستويات نص ADRP منخفضة. ترتبط زيادة مستويات الرنا المرسال من ADRP بزيادة تخزين الكوليسترول والأحماض الدهنية المتعددة غير المشبعة (PUFA) في القطرات الدهنية لخلايا الثدييات (Atshaves et al. ، 2001 Brown ، 2001). يرتبط ADRP بإحكام بالكوليسترول ويُعتقد أنه منظم مهم للكوليسترول وتخزين PUFA وإطلاقه من قطرات الدهون (براون ، 2001). وبالتالي ، من المحتمل أن يؤدي انخفاض مستويات نسخ ADRP mRNA إلى تعبئة مخازن الكوليسترول و PUFA للنقل إلى غشاء البلازما.

تشير الدراسات الحديثة إلى أن غشاء البلازما منظم في مجالات منفصلة للدهون / البروتين. (إيكيزاوا ، 2002 موراندات وآخرون ، 2002). ترتبط بروتينات glycosylphosphatidylinositol (GPI) المقيدة بنطاقات فرعية معينة من غشاء البلازما تسمى الغشاء ، وهي غنية بالكوليسترول والدهون السفينجولية (Ikezawa ، 2002 Morandat et al. ، 2002). يُعتقد أن هذه الأطواف هي مواقع حرجة للعديد من الوظائف المرتبطة بالأغشية بما في ذلك الإشارات الخلوية. لاحظنا تحريضًا قويًا لنصوص بروتين الغشاء المرتبط بـ GPI p137 أثناء التعرض لدرجات حرارة مرتفعة بشكل مزمن ، وتحريض خفيف بعد عدة دورات درجة حرارة. تشير هذه البيانات إلى أن الزيادات في بروتينات طوف الغشاء قد تلعب دورًا في تثبيت أطواف غشاء البلازما والحفاظ على وظائف الغشاء أثناء التعرض لدرجات حرارة مرتفعة. تشير الدراسات الحديثة إلى أن التكيف اللزوجي لأغشية البلازما قد يحدث بشكل أساسي في هذه الطوافات وأن الكوليسترول يلعب دورًا مهمًا بشكل خاص في ضبط الخصائص الفيزيائية للقوارب (Zehmer and Hazel ، 2003). وبالتالي ، فإن بياناتنا تدعم دورًا لكل من بروتينات الطوافة والدهون في تكيف الأغشية مع درجة الحرارة.

ناقلات الذائبة

عدد من النصوص التي تشفر ناقلات الذائبة وبروتينات الغشاء لها إيقاعات تعبير يومية قوية لا يتم تعديلها بشدة بواسطة درجة الحرارة (الشكل 5C). تتضمن هذه الجينات aquaporin 1 وحاملات المذاب الموجودة في غشاء البلازما وكذلك في أغشية الميتوكوندريا. يبدو أن هذه الجينات مستقلة عن درجة الحرارة في تنظيمها النسخي عبر نطاق واسع من درجات الحرارة.سبب هذا الإيقاع اليومي القوي واستقلال درجة الحرارة غير معروف ، ولكن قد يكون بسبب عمل البروتينات المشفرة بواسطة هذه النسخ في هضم واستيعاب الطعام. على سبيل المثال ، تم تحديد الأكوابورينات مؤخرًا على أنها مهمة للإفراز السليم للصفراء في خلايا الكبد (Huebert et al. ، 2002). يُعتقد أن البروتين المشفر بواسطة الجين للعائلة الحاملة الذائبة 3 ، العضو 2 (SLC3A2) هو ناقل للأحماض الأمينية ذات تقارب عالٍ (نطاق ميكرولتر -1) للأحماض الأمينية ثنائية القاعدة و zwitterionic (Palacin et al. ، 1998). تم العثور على وظيفة نقل الأنيون المشابهة لوظيفة ناقل أنيون النطاق 3 من كريات الدم الحمراء في الثدييات في الأنابيب الكلوية وقد تكون مهمة في النقل المذاب عبر الأنابيب الكلوية. ربما تكون هناك حاجة إلى وظيفة مماثلة لنقل وإفراز المواد بواسطة خلايا الكبد أثناء الهضم.

التمثيل الغذائي للكربوهيدرات

الجلوكوز هو مصدر وقود مهم للعديد من أنواع الخلايا في الفقاريات ويتم توفيره إلى حد كبير من خلال جهاز الدورة الدموية. يلعب الكبد دورًا أساسيًا في توازن الجلوكوز في الدم عن طريق موازنة امتصاص وإطلاق الجلوكوز (Nordlie et al. ، 1999). تحدث التغييرات في مستويات النسخ لعدد من الجينات الحاسمة لتنظيم التمثيل الغذائي للكربوهيدرات وتركيزات الجلوكوز في الدم استجابة لدرجة الحرارة. والجدير بالذكر أن للجلوكوكيناز نمط تعبير شديد التباين والذي يكون متطابقًا تقريبًا مع نمط إنزيم آخر مهم لتكوين الجلوكوز ، وهو فسفوينول بيروفات كربوكسيكيناز (الشكل 5 د). يتم التعبير عن هذه الجينات دائمًا بالتوازي أثناء دورة درجة الحرارة ، والأهم من ذلك ، يتم التعبير عنها دائمًا تقريبًا بطريقة معاكسة للجلوكوز 6 فوسفاتيز ، وهو المنظم الرئيسي لنقل الجلوكوز من الخلايا إلى مجرى الدم. كما ثبت أن الجلوكوكيناز يلعب دورًا في تنظيم استقلاب الجلوكوز وغالبًا ما يوجد في نواة الخلايا ، حيث يُعتقد أنه يعمل كمستشعر للجلوكوز. يعد تنظيم الجلوكوكيناز والجلوكوز 6-فوسفاتيز معقدًا للغاية ويتضمن العديد من المؤثرات (نوردلي وآخرون ، 1999). تشير بيانات التعبير الجيني من الدراسة الحالية إلى أن مستويات الجلوكوز في الدم من المرجح أن تستجيب بشكل كبير للحالة التغذوية وتتأثر بشدة بالحرارة.

هناك نسختان إضافيتان ترمزان للإنزيمات التي تعد منظمين مهمين للجلوكوز واستقلاب الجليكوجين ، وهما سينثاز الجليكوجين وبيروفات كيناز ، تظهران استجابات مختلفة للتأقلم مع درجات الحرارة المرتفعة المزمنة ، لكن لا تظهر تغيرات قوية في مستويات النسخ أثناء دورة درجة الحرارة. تشير الزيادة في نصوص سينسيز الجليكوجين والنقص في نصوص بيروفات كيناز أثناء التأقلم إلى 37 درجة مئوية إلى أنه يجب تفضيل تخليق الجليكوجين أثناء التأقلم مع درجات الحرارة المرتفعة المزمنة. إن عدم وجود استجابة نسخية قوية في هذه النصوص أثناء دورة درجة الحرارة ليس مفاجئًا بالنظر إلى العديد من آليات ما بعد الترجمة لتنظيم هذه البروتينات على نطاقات زمنية قصيرة.

الأيض الوسيط

يبدو أن مستويات نسخ الأنهيدراز الكربوني وجينات الكرياتين كيناز تتأثر بدرجة الحرارة بطريقة مماثلة (الشكل 5E). وقد تورطت هذه البروتينات في تنظيم الطاقة الخلوية من خلال مساهماتها في شبكات نقل الفوسفوتور التي يمكن أن تعمل على إقران المسارات الأيضية المستهلكة للـ ATP والمفردة مكانيًا لـ ATP (Dzeja and Terzic ، 2003). يتم تنظيم نسخ هذه الجينات بشكل معتدل بعد الجزء الأكثر برودة من دورة درجة الحرارة (قريب ر= 0 ، 26 درجة مئوية) ، عند مقارنتها بنمط التعبير اليومي العادي. قد يشير هذا إلى الحاجة إلى زيادة قدرة شبكات نقل الفوسفوتور خلال فترات البرد في مواجهة درجات الحرارة البيئية المتغيرة باستمرار من أجل الحفاظ على اقتران محكم لعمليات التقويض والابتنائية.

يبدو أن إنزيم نازعة الهيدروجين 6-phosphogluconate dehydrogenase البنتوز الفوسفات يتأثر بشدة بدورة درجة الحرارة خلال دورات درجة الحرارة الثلاث الأولى. يتم تنظيم هذا النص عند مقارنته بنمط التعبير اليومي العادي عند 26 درجة مئوية ، ولكن يتم تقليله أثناء التأقلم إلى 37 درجة مئوية (الشكل 5E). تشير الدراسات السابقة إلى أن نشاط هذا الإنزيم يستجيب للتأقلم مع درجة الحرارة ، حيث يتم تنظيمه أثناء التعرض لدرجات حرارة منخفضة (Seddon and Prosser ، 1997). من المتوقع أن تدعم زيادة نشاط تحويلة فوسفات البنتوز زيادة التخليق الحيوي للأحماض الدهنية من خلال توفير مكافئات مختزلة للتفاعلات الحيوية. اقترح آخرون وجود صلة بين نشاط تحويلة فوسفات البنتوز وحماية مضادات الأكسدة عبر الجلوتاثيون (Winkler et al. ، 1986). ومع ذلك ، في دراستنا ، فإن التعبير عن إنزيم واحد على الأقل يشارك في إزالة السموم القائمة على الجلوتاثيون من جذور الأكسجين ، الجلوتاثيون- s- ترانسفيراز ، لا يشبه ذلك الموجود في نازعة الهيدروجين 6-فوسفوغلوكونات ، مما يشير إلى أن التعبير عن هذا الأخير هو أكثر احتمالا المشاركة في السيطرة على التخليق الحيوي والتوازن العام للأكسدة في السيتوبلازم وعدم الاستجابة للأضرار التأكسدية في حد ذاته. يأتي الدعم الإضافي لهذا الاستنتاج من أنماط التعبير عن الشكل الإسوي الخلوي لنزعة هيدروجين الأيزوسترات. وجد أن هذا الإنزيم يلعب دورًا مهمًا في الدفاع ضد الإجهاد التأكسدي في خلايا NIH3T3 المستزرعة (Lee et al. ، 2002). يتم تنظيم مستويات النسخ لهذا الإنزيم أثناء ركوب الدراجات في درجة الحرارة وأثناء التأقلم إلى 37 درجة مئوية ، ويتم تنظيمها أثناء التأقلم إلى 20 درجة مئوية. هذه الاستجابة النسخية أكثر اتساقًا مع تعويض درجة الحرارة لوظيفة التمثيل الغذائي من الحاجة إلى التعامل مع الضرر التأكسدي.

ديهيدروبيريميدين ديهيدروجينيز يحفز خطوة تحديد المعدل في تقويض بيريميدين ، وتحويل اليوراسيل إلى 5،6-ديهيدروراسيل (موقع KEGG ، http://www.genome.ad.jp/kegg/). ينتج عن هذا التحويل في النهاية بيتا ألانين أو عددًا من المستقلبات المشتقة من البيريميدين. يتم تنظيم مستوى نسخة ديهيدروبيريميدين ديهيدروجينيز بقوة بعد تكرار دورة درجة الحرارة (الشكل 5E). يمكن أن يشير تنظيم هذا النص إلى الحاجة المتزايدة لعملية التمثيل الغذائي للبيريميدين بسبب زيادة معدل دوران الحمض النووي الريبي والحمض النووي ، وربما حتى بسبب تلف الخلايا بعد تكرار دورة درجة الحرارة. الفرضية البديلة هي أن دورة درجة الحرارة تحفز إنتاج بيتا ألانين كسموليت عضوي. β-alanine هو أسموليت عضوي معروف في بدائيات النوى والعديد من سلالات الحيوانات ، بما في ذلك الخياشيم البحرية (Hochachka and Somero ، 2002). من الممكن أن يساعد تراكم الأسمولات العضوية (انظر المناقشة أدناه) على التوسط في إجهاد درجة الحرارة عن طريق تثبيت بنية البروتين في مواجهة درجات الحرارة المتقلبة.

استقلاب النيتروجين

يتم تنظيم عدد من النصوص التي يتم ترميزها للبروتينات في استقلاب النيتروجين بشكل تفاضلي أثناء التأقلم مع درجات حرارة ثابتة ومتقلبة (الشكل 5F). يتم تنظيم نسخة البيتين homocysteine ​​methyltransferase تحت درجات حرارة باردة ثابتة ويتم تنظيمها تحت درجات حرارة دافئة ثابتة (الشكل 5F). مستويات هذا النص متغيرة للغاية في ظل ظروف ركوب الدراجات في درجات الحرارة. قد تشير هذه البيانات إلى أن استقلاب الميثيل أمين مهم للتأقلم مع درجة الحرارة ، وتشير إلى أن مستويات الميثيلامين قد ترتفع في درجات حرارة عالية وتنخفض في درجات حرارة منخفضة ، وهو ما يتوافق مع البيانات الناشئة التي تشير إلى أن الميثيلامين ، وخاصة جلايسين البيتين ، يمكن أن تعمل مثل "المرافقون الكيميائيون" ولها تأثير مثبت على البروتينات أثناء التعرض للضغط العالي من الملح ودرجة الحرارة في بكتريا قولونية(ديامانت وآخرون ، 2001). يقترح هؤلاء المؤلفون أن الأسمولات العضوية ، وخاصة جلايسين البيتين ، وإلى حد ما ، البرولين ، قد تنظم نشاط مرافق الجزيئات الكبيرة مثل بروتينات الصدمة الحرارية الرئيسية. ومن المثير للاهتمام ، أن مستويات النصوص الخاصة ببروتينات أرجيناز وأورنيثين أمينوترانسفيراز ترتفع أيضًا أثناء التأقلم إلى 37 درجة مئوية ودورة درجة الحرارة. تشارك هذه الإنزيمات في التخليق الحيوي للبرولين (موقع KEGG ، http://www.genome.ad.jp/kegg/). نتوقع ، بناءً على هذه البيانات ، أن مستويات البرولين والجليسين بيتين من المرجح أن تزداد أثناء التأقلم مع درجات الحرارة المرتفعة المزمنة ودرجات حرارة ركوب الدراجات. قد تساعد المستويات المرتفعة من الأسمولات العضوية في تعويض الحاجة إلى المرافقين الجزيئية على المدى الطويل وقد تفسر أيضًا سبب عودة مستويات النسخ من بروتينات الصدمة الحرارية إلى قيم التحكم بعد عدة دورات درجة حرارة. يبدو أن استخدام الأسمولات العضوية لتعزيز استقرار البروتين طريقة اقتصادية للتعامل مع الظروف البيئية المتغيرة دون تصاعد مستمر لاستجابة الصدمة الحرارية. نلاحظ أن مذابات الميثيلامين المثبِّتة للبروتين قد ثبت أنها تتراكم لتركيزات عالية في أسماك أعماق البحار واللافقاريات وأن تكون فعالة في مواجهة الآثار المزعزعة لاستقرار الضغط المرتفع على بنية البروتين ووظيفته (Yancey et al. ، 2002).

عناصر الهيكل الخلوي والبروتينات الانقباضية

يتم التعبير عن عدد من الجينات التي تشفر بروتينات الهيكل الخلوي والبروتينات المشاركة في وظائف الانقباض بشكل متغير فيما يتعلق بدرجة الحرارة (الشكل 5G). يبدو أن نسخة mRNA لـ α-tubulin متغيرة بشكل خاص أثناء ركوب الدراجات في درجة الحرارة. تتأثر أيضًا نسخ سلسلة الميوسين الثقيلة والسلسلة الخفيفة بشدة بدرجة الحرارة وتشارك في أنماط تعبير متطابقة تقريبًا. أسباب أنماط التعبير هذه ليست واضحة بعد ، ولكنها قد تكون مرتبطة بالحاجة إلى تثبيت الهيكل الخلوي استجابة لتغير درجات الحرارة. يتم دعم هذه الفرضية من خلال زيادة مستويات التعبير عن الفيكولين 1 وبروتينات رابطة الأكتين الأخرى وكذلك البروتينات المرتبطة بالأنابيب الدقيقة. يجب أن تشير هذه البيانات إلى أن تطبيع مستويات mRNA لجينات الهيكل الخلوي مثل tubulin ، وهو إجراء قياسي ، يمكن أن يؤدي على الأرجح إلى تفسير مضلل أو خاطئ لمستويات mRNA في حالات درجات الحرارة المتقلبة.

دوران البروتين

يبدو أن التأقلم مع درجات الحرارة المنخفضة أو المرتفعة الثابتة يؤدي إلى تغييرات في النسخ التي قد تؤثر على مستويات تخليق البروتين وتدهوره (الشكل 5H). زاد عاملان استطالة الترجمة ، وهما سينثاز الحمض الريبي النووي النقال ، وبروتين ريبوزومي واحد على الأقل ، من مستويات التعبير ، في حين أن هناك انخفاض طفيف في كمية النسخ لوحدة فرعية تنظيمية من البروتين 26S (جزء من نظام تحلل البروتين المعتمد على اليوبيكويتين ) استجابة لدرجات الحرارة المرتفعة المزمنة. تشير هذه البيانات إلى زيادة معدل دوران البروتين أثناء التعرض لدرجات حرارة عالية مزمنة ، ومحاولة من قبل الكائن الحي للحفاظ على مستويات البروتين عن طريق زيادة القدرة على تخليق البروتين وتقليل القدرة على تحلل البروتين. أثناء التأقلم مع الظروف الباردة ، هناك انتفاخ قوي للوحدة الفرعية التنظيمية للبروتينات 26S ، لكن مستويات النسخ للبروتينات المشاركة في آلية البروتين الاصطناعية تظل دون تغيير أو يتم تقليل تنظيمها قليلاً بعد أسبوعين من التأقلم. يبدو أن دورة درجة الحرارة تؤدي إلى تحريض ضعيف للغاية لنصوص البروتينات المشاركة في تخليق البروتين. في المقابل ، يبدو أن مستويات النسخ من الوحدة الفرعية التنظيمية للبروتين 26S تستجيب بشكل كبير لدورة درجة الحرارة ، وقد تشير إلى أن تنظيم تدهور البروتين أمر بالغ الأهمية أثناء التقلبات قصيرة المدى في درجة الحرارة. تشير هذه البيانات المتعلقة بالمكونات الرئيسية لآلة دوران البروتين إلى أن جوانب معينة من دوران البروتين من المحتمل أن يتم تنظيمها على مستوى النسخ أثناء التأقلم مع درجة الحرارة ، والاستجابة للظروف الثابتة فريدة عند مقارنتها بتلك الخاصة بالتعرض لدورة درجة الحرارة.

استجابة المرحلة الحادة والمناعة المتممة والفطرية

يتم تنظيم العديد من النصوص التي يتم ترميزها للبروتينات المشاركة في استجابة المرحلة الحادة بشكل تفاضلي أثناء التأقلم مع درجة الحرارة (الشكل 5I). يتم في البداية إعادة تنظيم العديد من مكونات استجابة المرحلة الحادة أثناء دورة درجة الحرارة ثم يتم تقليل التنظيم بعد 5 أيام من الدورة. يتم تنظيم هذه النصوص أيضًا بقوة من خلال التعرض لدرجات حرارة عالية مزمنة وأضعف من التأقلم إلى 20 درجة مئوية. في حين أن هذه النتائج قد تبدو غير متسقة في البداية ، إلا أنها عند الفحص الدقيق تتفق مع ما هو معروف عن استجابة المرحلة الحادة ، وعلى وجه الخصوص ، ما هو معروف عن البروتينات التكميلية في الأسماك.

البروتينات التكميلية هي جزء رئيسي من الجهاز المناعي الفطري لجميع الفقاريات (Sunyer and Lambris ، 1998). البروتينات المكملة هي المؤثرات المعروفة لاستجابة الالتهاب لتلف الأنسجة والعدوى ، وينتج عن تنشيط المسار التكميلي تمييز الخلايا المستهدفة (طمس) بالبروتينات التكميلية ، وتنشيط الكريات البيض ، وتحلل الخلايا المستهدفة عبر تشكيل معقد هجوم الغشاء (MAC) الذي يشتمل على بروتينات تكميلية تدخل ذاتيًا في غشاء البلازما (Roitt et al. ، 1993). يتم تنظيم نشاط البروتينات التكميلية وعلامات الخلايا المستهدفة إلى حد كبير عن طريق تنشيط البروتين التكميلي C3 من خلال مسارين بديلين. يتم تنظيم أحد هذه المسارات ، المسار البديل ، عن طريق التحلل المائي لرابطة ثيول-إستر داخل بروتين C3 نفسه ، بواسطة إنزيم C3 المحول. من المعروف أن هذه الرابطة تتفاعل مع الماء تلقائيًا عند مستوى منخفض ، بحيث يتم تنشيط هذا المسار دائمًا بشكل طفيف (Roitt et al. ، 1993). يتم تضخيم تنشيط C3 وبالتالي المسار التكميلي من خلال حلقة تغذية مرتدة إيجابية يتم تنظيمها إلى حد كبير من خلال وجود أو عدم وجود سطح غير ذاتي للتطهير. يمكن أن ترتبط البروتينات المكملة بالأسطح الذاتية وغير الذاتية ولكنها تتأخر عن الارتباط بالأسطح الذاتية بواسطة بروتينات معينة. لقد ثبت أن تنشيط المسار التكميلي يساهم في تلف الأنسجة بعد الإصابة الإقفارية لأنسجة القلب (رويت وآخرون ، 1993) ، مما يشير إلى أن المسار التكميلي يجب تنظيمه بعناية للعمل في الاستجابة المناعية دون التسبب في أضرار جسيمة في المناديل الذاتية.

قد يكون التنظيم الأولي للنصوص التي تشفر العديد من البروتينات التكميلية عند التعرض لدرجات حرارة عالية أو درجات حرارة متدرجة نتيجة لتفعيل متزايد للمسار التكميلي عبر التنشيط التلقائي لبروتين C3 بسبب زيادة الطاقة الحرارية ، أو عبرالإشارات الناشئة عن تلف الأنسجة. في كلتا الحالتين ، ستؤدي الاستجابة إلى نتائج عكسية على المدى الطويل ، ويتم تنظيمها بعد عدة دورات درجة حرارة في نظام التأقلم المتقلب. ومع ذلك ، يتم الحفاظ على مستويات عالية من النسخ أثناء التعرض لدرجة حرارة عالية مزمنة ، والتي قد تكون علامة على استمرار تلف الأنسجة ، أو استجابة مناعية غير قادرة على التكيف مماثلة لتلك التي لوحظت بعد نقص التروية (رويت وآخرون ، 1993). من المحتمل أن تكون حركيات الانتظام الأبطأ لنصوص البروتينات التكميلية أثناء التأقلم البارد آلية تعويضية لدرجة الحرارة لتعزيز وظيفة المناعة الفطرية ، وهو ما يتوافق مع النتائج السابقة التي تفيد بأن الاستجابة المناعية الكلاسيكية (بوساطة الجسم المضاد) تكون ضعيفة في الأسماك عند درجات حرارة منخفضة (باين وجيرويك ، 2001).

هناك أيضًا أدلة تشير إلى أن أنماط التعبير الجيني المرتبطة بتجديد الكبد واستجابة المرحلة الحادة متشابهة (Milland et al. ، 1990). من الممكن أن يتسبب التعرض الأولي لدورة درجة الحرارة والتعرض المزمن لدرجات الحرارة المرتفعة في تلف الخلايا وموت الخلايا في مجموعة سكانية فرعية من خلايا الكبد وتنشيط البروتينات التكميلية استجابة للتلف الخلوي. هناك دليل آخر يدعم إمكانية حدوث حالات تسبب تلف الخلايا وهو زيادة تنظيم التعبير الجيني للهبتوجلوبين ، والذي يُعرف بأهميته في ربط الهيموجلوبين وتنظيفه من خلايا الدم الحمراء الممزقة (Dobryszycka ، 1997).

نمو الخلايا وتكاثرها

عدد من النصوص التي تشفر البروتينات التي تنظم نمو الخلايا وتكاثرها لها أنماط تعبير متغيرة أثناء التأقلم مع درجات الحرارة الثابتة ودرجات الحرارة الدورية (الشكل 5J). على سبيل المثال ، يتم تحفيز اثنين من الجينات الكابتة للورم ، البروتين الغني بالأرجينين (ARP Shridhar et al. ، 1997) و quiescin Q6 (Coppock et al. ، 1998) ، بسبب درجات الحرارة المرتفعة ، مع تحفيز ARP بشدة أثناء دورات درجة الحرارة الأولية و quiescin Q6 مستحثة ببطء بعد عدة دورات. يتم تحفيز Quiescin Q6 بشدة أثناء التعرض لدرجات حرارة عالية مزمنة ، بينما يكون ARP ضعيفًا فقط. لقد ثبت أن Quiescin Q6 يتم تحريضه بقوة أثناء الدخول في هدوء خلوي قابل للانعكاس في خلايا الثدييات ويتم التعبير عنه بمستويات منخفضة جدًا في الخلايا المتكاثرة بنشاط (Coppock et al. ، 1998). تشير هذه البيانات إلى أنه من المحتمل أن يتم إيقاف تكاثر الخلايا أثناء دورة درجة الحرارة وأثناء التعرض لدرجات حرارة عالية مزمنة ، ولكن ربما من خلال مسارات مختلفة. يبدو أيضًا أن النص الخاص بجين الورم المفترض ، Mig-6 (Makkinje et al. ، 2000 Tsunoda et al. ، 2002) ، المعروف بأهميته في تأشير البروتين كينيز الذي ينشط الإجهاد (SAPK / JNK Makkinje et al. ، 2000) تنظمها درجة الحرارة. يتم إحداث Mig-6 أثناء دورة درجة الحرارة الأولى ، ولكن لها نمط تعبير شديد التباين بشكل عام. هناك دليل على أن Mig-6 قد يكون متورطًا في التنشيط المستمر للتغيرات التي يسببها SAPK / JNK في التعبير الجيني (Makkinje et al. ، 2000). يؤدي هذا التنشيط المستمر إلى تضخم الخلايا بسبب زيادة نمو الخلايا ولكن ليس الانقسام الخلوي في بعض أمراض الثدييات المزمنة. قد يكون نمط التعبير المتغير لنسخة Mig-6 أثناء دورة درجة الحرارة وسيلة لمعايرة نشاط مسارات إشارات SAPK / JNK بعناية وبالتالي تجنب المشكلات المرتبطة بالتنشيط المزمن لهذا المسار. الوفرة النسبية لـ TIEG-1 mRNA ، الذي يشفر جين الاستجابة المبكرة TGF-(Cook and Urrutia ، 2000 Hefferan et al. ، 2000) ينخفض ​​خلال دورات درجة الحرارة الأولية. لقد ثبت أن TIEG-1 mRNA يتم تحريضه بسرعة عن طريق إشارات TGF-ويرتبط عمومًا بانخفاض نمو الخلايا وانتشارها في خلايا البنكرياس (Cook and Urrutia ، 2000). تشير البيانات المقدمة هنا إلى أن إشارات TGF-ربما لم يتم تنشيطها مبدئيًا عن طريق دورة درجة الحرارة ، ولكن يمكن تنشيطها بالتعرض المزمن لدرجات الحرارة الباردة (20 درجة مئوية) وأثناء الأجزاء الباردة من دورة درجة الحرارة اليومية (الشكل 5J). تشير النظرة المتكاملة للبيانات أعلاه إلى أن ركوب الدراجات في درجة الحرارة ينشط مسار SAPK / JNK ويقمع تعبير TIEG-1 ، مما يؤدي إلى زيادة النمو الخلوي ، بينما يشير تحريض ARP و quiescin Q6 إلى توقف الانتشار الخلوي. تشير هذه البيانات إلى أن أجزاء مختلفة من دورة نمو الخلايا وانتشارها قد تكون مقيدة لدرجة الحرارة. قد يكون لتقسيم أجزاء مختلفة من دورة الخلية إلى ظروف درجات حرارة مختلفة تأثيرات عميقة على الطاقة وعلم وظائف الأعضاء للكائنات المعرضة لدرجات حرارة الدراجات في الطبيعة ، وقد تملي متى تكون السلوكيات المعقدة مثل تخليق الأمشاج أو التكاثر مواتية.

نصوص غير معروفة

تم تحديد عدد من cDNAs التي ليس لها تماثل مع متواليات معروفة أو لها وظيفة غير معروفة على أنها تستجيب للتأقلم مع درجة الحرارة في هذه الدراسة (الشكل 5 ك). قد تمثل هذه (كدنا) أجزاء مهمة من استجابة التأقلم التي لم يتم تحديدها أو دراستها بعد.من المرجح أن يؤدي الاستجواب الإضافي لهذه التسلسلات وأنماط تعبيرها استجابة لدرجة الحرارة والعوامل البيئية الأخرى إلى اكتشاف جينات ووظائف جينية جديدة ضرورية لبقاء التباين البيئي.

التنظيم العالمي للنسخ

تُظهر نسخة البروتين HMGB1 ذات المجموعة عالية الحركة أحد أكثر أنماط التعبير الجيني اللافت للنظر المرتبطة بدرجات حرارة ركوب الدراجات (الأشكال 3 ، 4 ، 5J). ترتبط الوفرة النسبية لهذه النسخة ارتباطًا سلبيًا بدرجة الحرارة (الشكل 4). يتغير نص HMGB1 أكثر من عشرة أضعاف خلال دورة درجة الحرارة اليومية ويتسق كل من نمط وحجم التعبير على مدار فترة دورة درجة الحرارة التي تبلغ أسبوعين بالكامل. علاوة على ذلك ، لا يُظهر هذا النص أي تغييرات في التعبير على أساس يومي في ظل ظروف درجة حرارة ثابتة. تقودنا الخصائص الفريدة لبروتين HMGB1 ، إلى جانب نمط التعبير المعروض في هذه الورقة ، إلى اقتراح أن بروتين HMGB1 قد يكون جزءًا مهمًا من استجابة النسخ التعويضية لدرجة الحرارة وقد يكون بالفعل مستشعر درجة حرارة شديد الحساسية.

يعتبر بروتين HMGB1 من نواح كثيرة المرشح المثالي كمؤثر فوري للنسخ استجابة لدرجة الحرارة. HMGB1 هو بروتين صغير (28 كيلو دالتون) وفير ويتم حفظه بشكل كبير ومتواجد في كل مكان بين الفقاريات (Wolffe، 1999 Thomas and Travers، 2001). يمكن لـ HMGB1 ربط الحمض النووي بطريقة خاصة بالهيكل مع تفضيل الهياكل المفردة التي تقطعت بها السبل أو المنحنية أو فائقة الالتفاف (Hamada and Bustin ، 1985 Stros ، 2001 Thomas and Travers ، 2001). لقد ثبت أنه شريك مع العديد من عوامل النسخ المهمة مثل p53 و HoxD9 ومستقبلات هرمون الستيرويد من خلال مجالات تفاعل محددة (Wolffe ، 1999 Thomas and Travers ، 2001). البروتين أيضًا "لزج جدًا" بطبيعته وقادر على الارتباط بمجموعة متنوعة من البروتينات الأخرى ، بما في ذلك عناصر الهيكل الخلوي وبروتينات المصفوفة خارج الخلية ، وفئات مختلفة من الدهون (Einck and Bustin ، 1985). من المتفق عليه عمومًا أن HMGB1 له دور متكامل في تجميع العديد من مجمعات البروتين النووي التي تعتبر بالغة الأهمية لوظيفة الخلية مثل إعادة التركيب V (D) J وتشكيل مجمعات التعزيزات (Stros and Reich ، 1998 Wolffe ، 1999 Ellwood et al. ، 2000 توماس وترافرز ، 2001). من المعروف أن HMGB1 يزيد من تقارب بروتين ربط TATA TBPII لصندوق TATA بأكثر من 20 ضعفًا (Das and Scovell ، 2001). ينتج عن الإفراط في التعبير عن HMGB1 في خطوط الخلايا الثديية تحفيز عالمي للنسخ (مستقل عن الجينات والبوليميراز) المرتبط بتفكيك معمم لتكثيف بنية الكروماتين (Aizawa et al. ، 1994 Ogawa et al. ، 1995). بالإضافة إلى ذلك ، فإن حقن الأجسام المضادة ضد HMGB1 يمنع النسخ في Xenopus البويضات (Ogawa et al. ، 1995). تشير هذه البيانات مجتمعة إلى دور رئيسي لـ HMGB1 في التنظيم العالمي للنسخ.

يشير الاستقرار الحراري والخصائص الكيميائية الحيوية لبروتين HMGB1 إلى أن البروتين يجب أن يكون حساسًا جدًا لدرجة الحرارة في الجسم الحي. يحتوي HMGB1 على منحنى انصهار حراري واسع جدًا في ظل ظروف حمضية مخففة (Ramstein et al. ، 1999). يبدأ البروتين في الذوبان عند درجة حرارة 20 درجة مئوية ولا يتم تغيير طبيعته تمامًا حتى 65 درجة مئوية ، مما يمنح البروتين نطاق انصهار يزيد عن 40 درجة مئوية. من المحتمل أن يكون نطاق الانصهار الواسع هذا بسبب الثبات الحراري المختلف في المجالات المختلفة داخل البروتين (Ramstein et al. ، 1999). هذه النقطة مهمة لأنها تشير إلى أن جزءًا واحدًا من البروتين قد يكون مستقرًا وعمليًا بينما يتم تغيير طبيعة الجزء الآخر في درجات حرارة ذات صلة من الناحية الفسيولوجية بالقرب من 37 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تعديل هذه البروتينات بعد الترجمة (Einck and Bustin ، 1985) عن طريق إضافة عدة شقوق ، ويمكن تعديل الاستقرار الحراري للبروتين بما يصل إلى 5 درجات مئوية بواسطة هذه التعديلات (Stemmer et al. ، 2002). تسمح هذه الخاصية بإجراء تعديلات موسمية على الاستقرار الحراري لبروتين HMGB1. نفترض أن ذوبان هذا البروتين في درجات حرارة ذات صلة من الناحية الفسيولوجية يعطل قدرة بروتين HMGB1 على الحفاظ على مجمعات البروتين النووي المرتبطة ببدء النسخ ويسبب تغيرًا عالميًا في معدل النسخ ، خاصة بالنسبة لتلك الجينات التي تحتوي على صندوق TATA في المروجين. يُفترض أن تكون هذه الآلية مهمة لتعديل مستوى النسخ بطريقة عامة جدًا ، مع السماح بإحداث تغييرات محددة في التعبير الجيني أو قمعها بواسطة عوامل النسخ التنظيمية أو المعززات وكواتم الصوت. تتوافق أنماط وفرة النسخ المعروضة في هذا التقرير مع هذه النظرية إذا كان HMGb1 يتم تنظيم الجين تلقائيًا من خلال نشاطه الخاص. من المحتمل أن يكون هذا هو الحال لأن الآلية المفترضة عالمية وليست خاصة بالجينات. بالإضافة إلى ذلك ، لكي يعمل هذا النموذج ، HMGb1 يجب أن يكون للنصوص نصف عمر قصير جدًا في الخلية. تتوافق بياناتنا مع معدل دوران مرتفع لهذا النص في الجسم الحي، ببساطة لأن النسخة المستقرة ربما لا تظهر مثل هذه التقلبات الكبيرة في الوفرة النسبية على أساس كل ساعة. ومن المثير للاهتمام ، أن 3′UTR من نسخة HMGB1 محفوظة بشكل كبير بين جميع الفقاريات (Bustin et al. ، 1990) ، مما يشير بقوة إلى دور تنظيمي لأن مناطق 3′UTR متغيرة بشكل كلاسيكي.

لقد حددنا بروتين HMGB1 كمنظم عالمي مفترض للنسخ استجابة لدرجة الحرارة. إذا كانت هذه الفرضية مدعومة بدراسات إضافية لوظيفة البروتين ، فيمكن أن يساعد هذا النموذج في حل العديد من الظواهر غير المبررة المرتبطة بالتأقلم مع درجة الحرارة. على سبيل المثال ، قد ترتبط التحولات الموسمية في التحمل الحراري بالتغيرات في التعديل اللاحق للترجمة لبروتين HMGB1. إن استبدال رابط هيستون H1 بـ HMGB1 أثناء التطور المبكر (Nightingale et al. ، 1996 Ner et al. ، 2001) قد يفسر أيضًا الحساسية الشديدة لدرجات الحرارة للأجنة المبكرة بسبب فقدان بنية الكروماتين ، حيث يتم تغيير طبيعة بروتينات HMGB1 بسهولة. في درجات حرارة ذات صلة بيولوجيًا. نعتقد أن المزيد من التحقيقات حول دور HMGB1 في التكيف مع درجة الحرارة من المرجح أن تؤدي إلى فهم جديد لكيفية الحفاظ على الخلايا حقيقية النواة على التوازن في مواجهة البيئة الحرارية المتغيرة باستمرار.

في الختام ، توضح هذه الدراسات فائدة مناهج ميكروأري (كدنا) في كل من التجارب القائمة على الفرضيات و "القائمة على الاكتشاف" في علم وظائف الأعضاء البيئي (Gracey and Cossins ، 2003). في السياق السابق ، يمكن لدراسات ميكروأري الكشف عن التغييرات في التعبير الجيني التي يُخمن أنها تكمن وراء الاستجابات الفسيولوجية المعروفة لدرجة الحرارة ، على سبيل المثال في التعبير عن بروتينات الصدمة الحرارية وفي إعادة هيكلة الأغشية الخلوية. إن الأهمية المتساوية ، إن لم تكن أكبر ، في دراسات المصفوفة الدقيقة هي اكتشاف جوانب جديدة من الاستجابات الفسيولوجية التي لم يتوقعها المحقق ، على سبيل المثال المنظمين العالميين المحتملين للتعبير الجيني المستحث بيئيًا والتفاعل بين الأنماط اليومية العادية للتعبير الجيني والتعديلات في يتم التعبير الجيني استجابة لتقلبات درجة الحرارة. تسمح تقنيات المصفوفات الدقيقة بنوع من الاستكشاف في "التاريخ الطبيعي الجزيئي" (Brown and Botstein ، 1999) يبدو أنه من المؤكد أنه سيفتح مجالات جديدة مهمة للدراسة في علم وظائف الأعضاء الإيكولوجي والتطوري (Feder and Mitchell-Olds ، 2003).


التحول الأنتيجيني

سيراجع محررونا ما قدمته ويحددون ما إذا كان ينبغي مراجعة المقالة أم لا.

التحول الأنتيجيني، التغيير الجيني الذي يحدث في عامل معدي يسبب تغيرًا جذريًا في بروتين يسمى المستضد ، والذي يحفز إنتاج الأجسام المضادة بواسطة أجهزة المناعة للإنسان والحيوانات الأخرى. تمت دراسة التحول الأنتيجيني على نطاق واسع في فيروسات الأنفلونزا من النوع A ، والتي تعاني من هذا التغيير مرة واحدة كل 10 سنوات تقريبًا. للفيروسات الناشئة حديثًا القدرة على التسبب في أوبئة أو أوبئة ، لأن قلة قليلة من البشر ، إن وجدت ، تمتلك مناعة ضد المستضدات الجديدة.

يحدث التحول الأنتيجيني لأن فيروسات الإنفلونزا أ تمتلك خزانًا حيوانيًا كبيرًا ، يتكون أساسًا من الطيور المائية البرية (مثل البط). يحدث هذا أيضًا لأن جينوم الحمض النووي الريبي لفيروسات الإنفلونزا أ يتخذ شكل ثمانية أجزاء ، والتي أثناء تكاثر الفيروس تكون عرضة لنوع من التبادل الجيني يُعرف باسم إعادة التصنيف الجيني. يمكن أن تؤدي إعادة التجميع إلى تحول مستضدي عندما يُصاب مضيف وسيط ، مثل خنزير ، في وقت واحد بفيروس إنفلونزا الإنسان والطيور. يمثل الإصدار الجديد من الفيروس الذي يتم إنتاجه نوعًا فرعيًا جديدًا من الأنفلونزا A ، وبالتالي فهو متميز من الناحية المناعية عن فيروسات الأنفلونزا A التي تنتشر بين البشر. تتميز الأنواع الفرعية للإنفلونزا A بنوعين رئيسيين من البروتينات السكرية المستضدية ، وهما هيماجلوتينين (H) ونورامينيداز (N) ، الموجودة على غلافها الفيروسي. (H1N1 و H3N2 و H5N1 هي أمثلة على الأنواع الفرعية للإنفلونزا A.)

قد يحدث التحول الأنتيجيني أيضًا عندما ينتقل فيروس الأنفلونزا أ مباشرة من الطيور المائية إلى البشر أو عندما ينتقل الفيروس من الطيور المائية إلى البشر عبر مضيف وسيط دون الخضوع لإعادة التصنيف.

تمت مراجعة هذا المقال وتحديثه مؤخرًا بواسطة كارا روجرز ، كبير المحررين.


شاهد الفيديو: From DNA to protein - 3D (كانون الثاني 2022).