На основе комментариев в этом посте, а также в этом чате. Для обсуждений и предположений просьба комментировать в чате.
Основной вопрос заключается в том, в чем преимущество наличия одного длинного аксона, такого как седалищный нерв (~ 1 м), по сравнению с рядом нейронов?
Основным преимуществом, безусловно, является скорость проводимости, на которую влияют химические синапсы. Однако синапсы щелевого соединения могут уменьшить эту задержку. Больший объем сомы постсинаптического нейрона также может снижать скорость проведения, но может происходить и усиление сигнала. Архитектура ячейки может быть скорректирована, чтобы свести к минимуму потерю скорости.
Очевидным недостатком наличия одной большой клетки является то, что ядро будет нести огромную нагрузку по поддержанию клеточного содержания. Могут быть задержки в передаче неэлектрических сигналов, таких как биомолекулы, от концов аксонов к соме и наоборот. Длинные аксоны также означают непрерывный транспорт по ним, что, в свою очередь, требует большого количества молекулярных моторов и, следовательно, АТФ. Более того, небольшая травма может вывести из строя весь проводящий канал. Можно представить, что против этого признака (длинные аксоны) тоже может происходить отбор; травма, ведущая к неспособности двигаться и тем самым вызывающая гибель.
РЕДАКТИРОВАТЬ ( на основе комментариев к ответу Анны )
Время, конечно, является весомым преимуществом использования одного аксона в качестве канала передачи информации. Тем не менее, меня интересует энергия или стоимость обслуживания. Стоимость обслуживания будет увеличиваться с увеличением объема клетки (на самом деле площади поверхности), а наличие последовательных нейронов потребует больше энергии (кумулятивной), чем одиночный аксон (включая затраты на сохранение ядра). Однако длинной ячейке потребуется гораздо большее количество молекулярных двигателей для поддержания скорости потока трафика. Все ответы, требующие транскрипционного контроля, будут медленными (например, реакция на травму). Более того, одна сома также накладывает ограничение на количество митохондрий. Должен быть предел длины аксона. Меня особенно интересуют крупные животные (с длинными задними конечностями), которые также имеют хороший рефлекс (возможно, верблюды, даже лошади).
Кто-нибудь пытался проанализировать компромисс между длинным аксоном и серией нейронов, соединенных щелевыми контактами? Если нет, стоит ли моделировать эту проблему или она достаточно тривиальна?
Увидел это в Quora :
Моя первая мысль в основном соответствовала деталям вопроса, за исключением того, что я почти уверен, что ганглий задних корешков (DRG) имеет более длинный аксон, чем двигательная информация, передаваемая в седалищном нерве (который является самым длинным нервом в теле, но не аксоном). ).
Означает ли это, что седалищный нерв имеет последовательные нейроны?
Во-первых, я должен пояснить, что нерв — это не то же самое, что нейрон. Нерв представляет собой совокупность аксонов (каждый аксон является частью отдельного нейрона) в периферической нервной системе. Таким образом, когда вы упоминаете «один длинный аксон, такой как седалищный нерв», это технически некорректная фраза, поскольку седалищный нерв представляет собой совокупность многих длинных аксонов. Если один из этих аксонов не функционирует, это не сильно повлияет на функцию всего седалищного нерва. Однако вы правы в том, что если перерезать весь седалищный нерв, то по течению будут серьезные последствия.
Во-вторых, основное преимущество скорости проведения меньше зависит от длины и больше зависит от наличия и степени миелинизации (прямо пропорционально диаметру волокна) и наличия узелков Ранвье.
Что касается содержания вашего вопроса, то преимущество длины - это именно то, что можно было бы подумать - большее расстояние. Седалищный нерв является самым длинным нервом в организме, и наша нервная система иннервирует его до кончиков пальцев ног. Наличие сотен рядом расположенных рядов нейронов по сравнению с сотнями рядом стоящих аксонов кажется гораздо менее эффективной системой по двум причинам, как раз в двух аспектах, которые вы упомянули: энергия и время.
Энергия: наличие последовательных нейронов потребует увеличения количества нейронов, необходимых для передачи сообщения. Наличие большего количества нейронов требует большего количества насосов Na+, K+ и Na/K и отдельных каналов, что требует больше энергии.
Время: наличие последовательных нейронов также потребует увеличения количества синапсов между нейронами — электрических или химических. Если синапсы химические, то время увеличивается во много-много раз. Если синапсы электрические, то время немного увеличивается в 10 раз на синапс по сравнению с химическими синапсами, но это все равно займет больше времени по сравнению с наличием одного аксона с миелинизацией и перехватами Ранвье, которые примерно в 100 раз быстрее, чем единственный электрический синапс.
Таким образом, наличие более длинных нервов, состоящих из аксонов, а не последовательных нейронов, выгодно за счет повышения эффективности использования энергии и времени, что позволяет нашим телам эффективно иннервировать более удаленные структуры.
Ссылка:
Что касается увеличения абсолютного числа АТФазы в последовательном аксоне по сравнению с одним длинным аксоном, я предполагаю, что это будет зависеть от количества нейронов в ряду. Однако я читал эту статью , в которой говорится, что увеличение длины между каждым перехватом Ранвье было физиологически связано с увеличением скорости проводимости. Это предполагает меньшее количество необходимых узлов, несмотря на концентрацию АТФаз в этих местах и, следовательно, меньшее количество АТФаз. Мне не удалось найти исследований, в которых сравнивалась бы концентрация АТФазы в соме по сравнению с перехватами Ранвье внутри аксонов.
Что касается использования энергии в соме по сравнению с аксоном, то митохондрии образуются не только в соме, но и концентрируются в пре- и постсинаптических мембранах (и конусах роста). Чем больше таких структур (как в последовательных нейронах), тем больше предполагаемых митохондрий. См. митохондрии и активность нейронов .
Наконец, мой литературный поиск не смог найти исследований, которые показали бы максимально возможную энергетически возможную длину миелинизированных или немиелинизированных нейронов.
тел
WYSIWYG
тел
WYSIWYG
Дилавар