Mauthnerovy buňky jsou dvojice velkých a snadno identifikovatelných neuronů (jeden pro každou polovinu těla) umístěných v rhombomeře 4 zadního mozku ryb a obojživelníků, které jsou zodpovědné za velmi rychlý únikový reflex (u většiny zvířat – tzv. C-start response). Buňky jsou také pozoruhodné svým neobvyklým používáním chemických i elektrických synapsí.
Mauthnerovy buňky se poprvé objevují u mihulí (chybí u hagfisů a lanceletů) a jsou přítomny prakticky ve všech teleostových rybách, stejně jako u obojživelníků (včetně postmetamorfních žab a ropuch). Zdá se, že některé ryby, jako například lumpsuckers, Mauthnerovy buňky ztratily.
C-start je typ velmi rychlého leknutí nebo únikového reflexu, který využívají ryby a obojživelníci (včetně larválních žab a ropuch). C-start má dvě postupná stádia: za prvé, hlava se otáčí okolo středu hmoty směrem k budoucímu úniku a tělo zvířete vykazuje zakřivení, které připomíná písmeno C; poté, ve druhé fázi, je zvíře poháněno vpřed. Délka těchto stádií se u jednotlivých druhů liší od přibližně 10 do 20 ms pro první stádium a od 20 do 30 ms pro druhé. U ryb tento pohon vpřed nevyžaduje kontrakci antagonistického svalu, ale vyplývá z tělesné ztuhlosti a hydrodynamického odporu ocasu. Když dojde k antagonistickému stažení svalu během 2. stádia, ryba se otáčí v opačném směru, což vede k obrátce a ke směrové změně.
Role Mauthnerovy buňky v chování C-start
V případech, kdy náhlý akustický, hmatový nebo vizuální podnět vyvolá jediný akční potenciál v jedné M-buňce, vždy koreluje s kontralaterálním únikem C-startu. Extrémně rychlý vzájemný zpětnovazební inhibiční obvod pak zajistí, že pouze jedna M-buňka dosáhne vrcholového prahu – protože C-start musí být podle definice jednostranný – a že je vystřelen pouze jeden akční potenciál.
Mauthnerův buněčný C-start reflex je velmi rychlý, s latencí mezi akustickým/hmatovým podnětem a výtokem Mauthnerovy buňky asi 5-10 ms a mezi výtokem a jednostrannou kontrakcí svalů jen asi 2 ms. Mauthnerovy buňky jsou tedy nejrychlejším motorickým neuronem, který na podnět reaguje. Díky tomu je reakce C-start behaviorálně důležitá jako způsob, jak iniciovat únikový reflex způsobem „všechno nebo nic“, zatímco směr a rychlost úniku lze později korigovat aktivitou menších motorických neuronů.
U zebradů larválních je asi 60% celkové populace retikulostných neuronů aktivováno také stimulem, který vyvolává M-hrot a C-start únik. Dobře studovanou skupinou těchto retikulostných neuronů jsou dvoustranně spárované M-buněčné homology označované MiD2cm a MiD3cm. Tyto neurony vykazují morfologickou podobnost s M-buňkou včetně laterálního a ventrálního dendritu. Nacházejí se v rhombomerách 5, respektive 6 zadního mozku a také přijímají sluchový vstup paralelně s M-buňkou z pVIIIth nervu. U ryb stimuly vodního paprsku, které aktivují tyto neurony, vyvolávají non-mauthner iniciované C-starty delší latence ve srovnání s M-buňkami asociovanými.
I když je M-lymfocyt často považován za prototyp příkazového neuronu u obratlovců, toto označení nemusí být zcela oprávněné. I když elektrická stimulace M-lymfocytu je dostatečná pro vyvolání C-startu, tento C-start je obvykle slabší než ten, který vyvolá smyslový podnět. Navíc C-start může být vyvolán i při ablaci M-lymfocytu, i když v tomto případě se latence odezvy zvyšuje. Nejrozšířenějším modelem systému M-lymfocytů, neboli únikové sítě mozkového kmene, je, že M-lymfocyt iniciuje fixní schéma akce vlevo nebo vpravo aktivací spinálního motorického obvodu, který původně popsal J. Diamond a jeho kolegové, ale přesná trajektorie úniku je zakódována populační aktivitou v ostatních třídách retikulomspinálních neuronů fungujících paralelně s M-lymfocytem. Tento názor podporují studie používající in vivo zobrazování vápníku u larválních zebradů, které ukazují, že MiD2cm a MiD3cm se aktivují spolu s M-buňkou, když je obtěžující podnět zaměřen na hlavu, ale ne na ocas, a korelují s C-starty s větším počátečním úhlem otáčení.
Další složka únikové reakce je zprostředkována lebečními reléovými neurony, které jsou aktivovány hrotem Mauthnerovy buňky. Tyto neurony jsou elektricky spojeny s motoneurony, které inervují extraokulární, čelistní a operulární svalstvo a zprostředkovávají spojení prsní ploutve v sekyrách. Tato složka nervového obvodu byla poprvé popsána Michaelem V.L. Bennettem a jeho kolegy.
Mauthnerovy buňky v jiných typech chování
Mauthnerovy buňky mohou být zapojeny do jiných vzorců chování, než je C-start, pokud tyto typy chování také vyžadují extrémně rychlý pohyb těla v ohybu. U zlatých rybek se tedy Mauthnerovy buňky aktivují při odchytu kořisti v blízkosti vodní hladiny, protože tento typ lovu je pro ryby nebezpečný a prospělo by jim, kdyby po odchytu kořisti co nejdříve opustily hladinu.
U dospělých postmetamorfních anuranů (žab a ropuch), které nemají ocas, jsou M-buňky přesto zachovány a jejich výboje jsou spojeny s rychlým pohybem nohou během úniku.
Morfologie a souvislosti
Vstupy do M-buňky: excitace a inhibice napájení
M-lymfocyt má dva primární aspinové (bez dendritických ostnů) dendrity, které přijímají oddělené vstupy z různých částí nervového systému. Jeden dendrit vyčnívá laterálně a druhý vyčnívá buď ve ventrálním nebo mediálním směru, v závislosti na druhu.
ventrální dendrit přijímá informace z optického tekta a míchy, zatímco laterální dendrit přijímá vstupy z oktovolateralisových systémů (laterální linie, akustické vstupy z vnitřního ucha a inerciální informace ze statolitů, které přináší lebeční nerv VIII).
Vlákna ipsilaterálního kraniálního nervu VIII končí v excitačních smíšených elektrických a glutamatergických synapsích na M-buňce. Elektricky také aktivují glycinergní inhibiční interneurony, které končí na M-buňkách. Navzdory tomu, že inhibiční vstup má ve své dráze ještě jednu synapsi, nedochází k prodlevě mezi excitací a inhibicí, protože zasahující synapse je elektrická. Bylo prokázáno, že u slabých podnětů inhibice vítězí nad excitací, čímž zabraňuje M-buňce v výboji, zatímco u silnějších podnětů se stává excitace dominantní. Vnitřní ucho afferenty také končí elektrickými synapsemi na populaci PHP inhibičních interneuronů (viz níže) pro zajištění další úrovně inhibice přísunu vpřed. Mauthnerova buňka má také vstupy GABA, dopamin, serotonin a somatostatinergní, z nichž každý je omezen na určitou dendritickou oblast.
Vstupy z optického tecta a boční čáry pomáhají kontrolovat, kterým směrem se C-úlek ohýbá, tím, že předurčují buňky mauthneru, když jsou v blízkosti překážky. V případech, kdy je pohyb směrem od stimulu zablokován, se může ryba ohnout směrem k narušení.
Kopec axonu Mauthnerovy buňky je obklopen hustou formací neuropilu, nazývanou Axonův uzávěr. Vysoká odolnost tohoto axonového uzávěru přispívá k typickému tvaru potenciálu Mauthnerova buněčného pole (viz níže). Ve své nejvyspělejší formě se axonový uzávěr skládá z jádra, bezprostředně přiléhajícího k axonu Mauthnerovy buňky a obsahujícího síť velmi tenkých nemyelinizovaných vláken, a periferní části. Tato periferní část obsahuje velká nemyelinizovaná vlákna neuronů PHP (viz níže), která zprostředkovávají inhibiční zpětnou vazbu Mauthnerově buňce; Mauthnerova buňka sama také posílá malé dendrity ze svého axonového kopce do periferní části axonového uzávěru. Nakonec je povrch axonového uzávěru pokryt stěnou uzávěru složenou z několika vrstev gliových buněk podobných astrocytům. Jak gliální buňky, tak nemyelinizovaná vlákna jsou spolu spojeny pomocí mezerových spojů.
Evolučně je axonový uzávěr novějším vývojem než samotná Mauthnerova buňka, takže některá zvířata, jako jsou mihule a úhoři, mají funkční Mauthnerovy buňky, nemají axonový uzávěr vůbec, zatímco některá jiná zvířata, jako například obojživelníci a měkkýši, mají jeho velmi zjednodušenou verzi.
Hlavní částí sítě Mauthnerových buněk je síť negativní zpětné vazby, která zajišťuje, že v reakci na podnět vystřelí pouze jedna ze dvou Mauthnerových buněk a že ať už Mauthnerova buňka vystřelí cokoliv, udělá to pouze jednou. Oba tyto požadavky jsou zcela přirozené, uvážíme-li, že následky jediného výboje Mauthnerovy buňky jsou tak silné; nedodržení těchto dvou pravidel by nejen zabránilo zvířeti v útěku, ale mohlo by ho dokonce fyzicky poškodit. Nejrychlejší částí této sítě negativní zpětné vazby, která je zároveň nejblíže Mauthnerově buňce, je tzv. pasivní hyperpolarizační potenciál pole neboli PHP neurony. Vlákna těchto neuronů jsou umístěna v axonovém uzávěru a přijímají vstupy jak z ipsilaterálních, tak kontralaterálních Mauthnerových buněk. Polní potenciály PHP neuronů jsou silně pozitivní a tvoří část ‚Signature field potential‘ Mauthnerovy buňky (viz níže), přičemž raná (ipsilaterálně iniciovaná) složka se nazývá Extracellular Hyperpolarizing Potential (EHP) a pozdější (kontralaterálně iniciovaná) složka je někdy v literatuře označována jako Late Collateral Inhibition (LCI). Působení PHP neuronů na Mauthnerovy buňky je zprostředkováno elektrickými, a nikoli chemickými účinky: vnější proudy generované akčními potenciály v axonovém uzávěru vláken proudí dovnitř přes axonový pahorek Mauthnerovy buňky a hyperpolarizují ji.
Jediný axon Mauthnerovy buňky sahá od buňky ke středové čáře zadního mozku, pohotově ji kříží ke kontralaterální straně a pak kaudálně sestupuje podél míchy. Jediný výboj M-buňky dosahuje celé řady paralelních účinků na páteřní motorické sítě: 1) monosynapticky budí velké primární motoneurony na jedné straně těla; 2) deznapticky budí menší motoneurony na stejné straně těla; 3) iniciuje akční potenciály v inhibičních interneuronech elektricky spojených s axonem M-buňky a svými prostředky inhibuje a) inhibiční interneurony stále na stejné straně těla (aby se zabránilo jejich zasahování do C-startu), jakož i b) motoneurony na druhé straně těla. V důsledku tohoto schématu aktivace se rychlé svaly na jedné straně těla stahují současně, zatímco svaly na druhé straně těla se uvolňují.
Ephaptická inhibice na mauthner axonovém uzávěru PHP buňkami
K inhibici M-buňky PHP buňkami dochází efaktickými interakcemi. K inhibici dochází bez toho, že by chemické synapse nebo elektrická synaptická spojka měly mezerové spoje s nízkým odporem spojující buňky. Když dojde k depolarizaci oblasti axonu PHP buňky mimo víčko axonu, je příliv pozitivního náboje do buňky prostřednictvím napěťově řízených sodíkových kanálů doprovázen pasivním odtokem proudu z axonu PHP buňky do oblasti vázané víčkem axonu. Vzhledem k vysokému odporu okolních gliálních buněk se náboj nerozptyluje a zvyšuje se potenciál přes membránu M-buňky, což ji hyperpolarizuje.
Díky své velikosti, přítomnosti rychlé zpětnovazební sítě a množství elektrických a kvazielektrických (eftalních) synapsí má Mauthnerova buňka silný potenciál pole velmi charakteristického tvaru. Tento potenciál pole začíná vysokoamplitudovým potenciálem propadu až do desítek mV v amplitudě, který vzniká z výboje Mauthnerovy buňky a za kterým těsně následuje pozitivní potenciál, nazývaný Extrinzní hyperpolarizační potenciál nebo EHP, který je spojen s aktivitou sítě rekurentní zpětnovazební vazby.
Díky své vysoké amplitudě může být u některých zvířat negativní část potenciálu pole Mauthnerovy buňky detekována až několik set mikrometrů od samotné buňky. Pozitivní složky potenciálu pole jsou nejsilnější v axonovém uzávěru, dosahují amplitud 45 mV u dospělých zlatých rybek. Se znalostí těchto vlastností potenciálu pole je možné využít monitorování potenciálu pole jako způsob, jak najít tělo Mauthnerovy buňky in vivo, nebo in vitro v celomozkovém preparátu, pohybem nahrávací elektrody v zadním mozku, a zároveň stimulací míchy, čímž se v axonu Mauthnerovy buňky vyvolá potenciál antidromického působení.
Bylo prokázáno, že aplikace serotoninu zvyšuje inhibiční vstupy do M-buněk, zatímco aplikace dopaminu – zvyšuje amplitudu chemických i elektrických složek nervové odpovědi VIIIth prostřednictvím G proteinem zprostředkované aktivace postsynaptického D2 receptoru. LTP závislé na aktivitě může být vyvoláno v M-buňkách vysokofrekvenční stimulací nervu VIIIth. Překvapivě je tento LTP zprostředkován elektrickou synapsí a předpokládá se, že zahrnuje modifikaci kanálů mezeře. Byla také prokázána možnost indukce LTP smyslovými podněty in vivo a důkaz pro LTP inhibičních vstupů do M-buněk.
Spontánní preference ve směru střídání u mladých zlatých rybek koreluje s tím, že jedna z Mauthnerových buněk je větší než druhá. Je možné změnit preferenci ryb jejich chovem v podmínkách usnadňujících zatáčky v určitém směru; tento posun je doprovázen odpovídající změnou velikosti M-buněk.
Mauthnerova buňka byla poprvé identifikována vídeňským oftalmologem Ludwigem Mauthnerem v teleostové rybě pro její přidružený nervový obvod, který zprostředkovává únikovou reakci zvanou C-start nebo C-leknutí, aby nasměrovala rybu pryč od predátora.
M-buněk je modelový systém v oblasti neurologie. M-buněčný systém sloužil k podrobnému neurofyziologickému a histologickému zkoumání synaptického přenosu a synaptické plasticity. Studie Donalda Fabera a Henriho Korna pomohly stanovit hypotézu jednoho váčku synaptického přenosu v CNS. Mezi další důležitá výzkumná témata, která byla zkoumána v M-buněčném systému, patří studie Yoichiho Ody a jeho kolegů o inhibiční dlouhodobé potenciaci a zvukovém podmiňování úlekové reakce a studie Alberta Peredy a jeho kolegů o plasticitě elektrických synapsí. Mezi další výzkumná témata zkoumaná v M-buněčném systému patří studie páteřních neuronových sítí a nervové regenerace od Joea Fetcha a jeho kolegů, stejně jako lokalizace zvuku pod vodou a biofyzika výpočtů v jednotlivých neuronech.