RTK signaling and epidermis remodeling instruct dendrite regrowth after pruning in the Drosophila PNS

إن الجهاز العصبي ليس مجرد مخطط توصيل ثابت وُضع لمرة واحدة وتُرك دون تغيير. ففي العديد من الحيوانات، بما في ذلك البشر، يجب إعادة تشكيل الروابط بين الخلايا العصبية مع نمو الجسم وتغيره. هذه العملية، المعروفة باسم "التقليم" (pruning)، تتضمن الإزالة المتعمدة للفروع العصبية القديمة التي لم تعد تناسب احتياجات الكائن الحي، يتبعها نمو فروع جديدة لتشكيل دوائر عصبية حديثة. هذا التجديد يعد أمراً حاسماً للتطور الطبيعي للدماغ، وعندما يسير بشكل خاطئ، يمكن أن يساهم في حالات عصبية خطيرة. وفي ذبابة الفاكهة، وهي حشرة صغيرة تُستخدم غالباً لدراسة كيفية تحكم الجينات في التطور، تحدث هذه العملية على نطاق واسع أثناء التحول الشكلي. فبينما تتحول اليرقة الشبيهة باليسروع إلى حشرة بالغة مجنحة، يجب تفكيك نظامها العصبي وإعادة بنائه بشكل كبير ليتناسب مع مخطط جسمها الجديد. لقد أدرك العلماء منذ فترة طويلة أن هرموناً يسمى "إيكديسون" (ecdysone) يحفز عملية التفكيك الأولية، أو التقليم، للفروع العصبية. ومع ذلك، ظل الإشارة التي تخبر العصب بالبدء في النمو مجدداً لغزاً، مما ترك فجوة في فهمنا لكيفية تنسيق الجهاز العصبي لإعادة بناء نفسه مع بقية الجسم.

لقد كشف باحثون في جامعة مونستر في ألمانيا الآن عن رابط مفاجئ بين إعادة نمو الفروع العصبية وإعادة تشكيل جلد ذبابة الفاكهة. فقد ركزوا على نوع محدد من الخلايا العصبية الحسية في ذبابة الفاكهة والتي تعمل مثل الشجرة، ذات أذرع طويلة متفرعة تسمى "الزوائد الشجيرية" (dendrites) تنتشر عبر جدار الجسم لاستشعار اللمس. خلال المرحلة اليرقية، تكون هذه الفروع واسعة الانتشار، ولكن مع استعداد الذبابة لتصبح بالغة، يتم قطعها. يظل جسم الخلية العصبية باقياً، ولاحقاً، تبدأ في نمو مجموعة جديدة تماماً من الفروع المناسبة للذبابة البالغة. واكتشف الفريق أن إعادة النمو هذه لا تحدث لأن الخلية العصبية تتلقى إشارة مباشرة من الهرمون الذي بدأ العملية برمتها؛ بل إن العصب ينتظر رسالة من نوع آخر، تأتي من خلايا الجلد المجاورة لها مباشرة.

لمعرفة كيف عرف العصب متى يبدأ النمو مجدداً، اختبر العلماء أولاً ما إذا كان هرمون "إيكديسون" يعمل مباشرة على الخلية العصبية لتحفيز إعادة النمو، تماماً كما يفعل لتحفيز القطع الأولي. وقد استخدموا مفتاحاً خاصاً يتم التحكم فيه بالضوء لإيقاف تأثير الهرمون تحديداً داخل الخلية العصبية في أوقات مختلفة. ووجدوا أنه بينما احتاج العصب إلى الهرمون لقطع فروعه القديمة، فإنه لم يكن بحاجة لوجود الهرمون داخله ليبدأ في نمو فروع جديدة. وقد استبعد هذا الفكرة القائلة بأن الخلية العصبية كانت تنتظر ببساطة جرعة ثانية من نفس الإشارة. وبدلاً من ذلك، اشتبه الباحثون في أن العصب كان ينتظر إشارة من جيرانه. بحثوا عن جزيئات يمكن أن تعمل كإشارات نمو، مع التركيز تحديداً على نوعين من المستقبلات على سطح الخلية العصبية والمعروفة باستجابتها لعوامل النمو. ووجدوا أن كلا المستقبلين ضروريان؛ فبدونهما، تفشل الفروع العصبية في إعادة النمو.

كانت الخطوة التالية هي معرفة مصدر الإشارات لهذه المستقبلات. اشتبه الباحثون في أن الإجابة تكمن في الجلد، أو البشرة، لأن الفروع العصبية تنمو مباشرة مقابل خلاً الجلد. في ذبابة الفاكهة، يخضع الجلد لتحول دراماتيكي أثناء التحول الشكلي؛ حيث تموت خلايا الجلد الكبيرة والقديمة لليرقة وتُستبدل بطبقة جديدة من خلايا الجلد البالغة التي تتوسع لتغطي الجسم. لاحظ الفريق أن إعادة تشكيل الجلد تحدث في نافذة زمنية دقيقة: فهي تنتهي تماماً عند انتهاء قطع الفروع العصبية، ولكن قبل أن تبدأ في النمو مجدداً. ولاختبار ما إذا كان هذا التوقيت مهماً، منعوا خلايا الجلد القديمة من الموت ومنعوا الخلايا الجديدة من التوسع. وعندما فعلوا ذلك، لم تفشل الفروع العصبية في النمو مجدداً فحسب، بل واجهت صعوبة في عملية القطع في المقام الأول أيضاً. أظهر هذا أن التغيرات الفيزيائية والكيميائية في الجلد مرتبطة ارتباطاً وثيقاً بقدرة العصب على إعادة تشكيل نفسه.

وكشفت المزيد من التحقيقات عن الطبيعة المحددة للإشارة. تنتج خلايا الجلد البالغة الجديدة بروتينين محددين يعملان كمفاتيح لفتح مستقبلات النمو على الخلية العصبية. أحد هذين البروتينين هو نوع من الإشارات الشبيهة بالإنسولين، والآخر هو جزيء مرتبط بعائلة من عوامل النمو المعروفة بتوجيه التطور الخلوي. وأظهر الباحثون أن هذه البروتينات تُنتج بواسطة خلايا الجلد في الوقت الدقيق الذي يحتاجه العصب ليبدأ النمو. وعندما منعوا إنتاج هذه البروتينات في الجلد، توقفت الفروع العصبية عن النمو، رغم أن الخلايا العصبية نفسها كانت سليمة والمستقبلات كانت موجودة. وقد أكد هذا أن العصب لا يعمل بمفرده؛ بل ينتظر إشارة من النسيج المتصل به.

كما بحثت الدراسة فيما إذا كان هذا الارتباط بين الجلد والعصب فريداً من نوعه في ذباب الفاكهة أم أنه قاعدة عامة في الطبيعة. فحص الباحثون نوعاً من البعوض، والذي لا يستبدل خلايا جلده أثناء التحول الشكلي بخلاف ذبابة الفاكهة؛ ففي البعوض، تكتفي خلايا الجلد بالانقسام والنمو لتصبح أكبر حجماً دون أن تموت. وعندما فحصوا الأعصاب في البعوض، وجدوا أن الفروع لم تُقطع وتنمو مجدداً بالطريقة التي تحدث في ذبابة الفاكهة، بل احتفظت أعصاب البعوض بفروعها اليرقية طوال فترة التحول. يشير هذا إلى أن عملية التقليم وإعادة النمو الدراماتيكية المشاهدة في ذباب الفاكهة ربما تطورت خصيصاً لتتناسب مع الاستبدال الدراماتيكي لجلدها. ويبدو أن إعادة تشكيل العصب هي استجابة للحاجة إلى سطح جديد ومستقر للنمو عليه.

تشير النتائج إلى وجود "رقصة تنسيقية" في التطور حيث لا تقرر الخلية العصبية متى تعيد البناء من تلقاء نفسها. بدلاً من ذلك، تنتظر انتهاء النسيج المحيط من إعادة تشكيله الخاص. فبمجرد إزالة خلايا الجلد القديمة وتوسع جلد البالغين الجديد واستقراره، يرسل الجلد إشارات كيميائية تخبر العصب: "الطريق خالٍ، يمكنك البدء في النمو الآن". يضمن ذلك أن تمتلك الفروع العصبية الجديدة أساساً مستقراً لتلتصق به، وأن تنمو في الوقت المناسب لتتطابق مع بقية الجسم. تسلط هذه الأبحاث الضوء على مبدأ أساسي في التطور: التغيرات المعقدة في جزء واحد من الجسم غالباً ما تكون متزامنة مع التغيرات في أجزاء أخرى من خلال إشارات محلية، مما يضمن أن يعيد الكائن بناء نفسه ككيان موحد. ومن خلال تحديد الجزيئات المحددة وتوقيت هذا التفاعل، تقدم الدراسة صورة واضحة لكيفية معرفة الخلية العصبية متى تتخلى عن الماضي وتتطلع نحو المستقبل.