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Making sense of neural development by comparing wiring strategies for seeing and hearing
Science ( IF 56.9 ) Pub Date : 2021-01-07 , DOI: 10.1126/science.aaz6317
A A Sitko 1 , L V Goodrich 1
Affiliation  

Complex diversity from shared toolkits Neural development builds diverse circuits out of a common toolkit, with shared mechanisms, transcription factors, and cellular signaling systems. Sitko and Goodrich compare and contrast the development of visual and olfactory systems to parse the similarities in logic and the differences in sensory information processing. Science, this issue p. eaaz6317 BACKGROUND Since its infancy just over a century ago, the developmental neurobiology field has identified many unifying principles of neural circuit formation. We have come to appreciate the ways in which, for instance, transcriptional regulation of cell fate, molecular mechanisms of axon guidance and synapse formation, and activity-dependent refinement wire a variety of circuits across species. Certain systems, such as the vertebrate spinal cord or visual system, were historically popular choices for research because of their accessibility. Today, the field is poised to build on this foundation by studying how common mechanisms operate flexibly to assemble diverse circuits throughout the nervous system. By studying the fine details of how individual circuits acquire their characteristic features, we can learn more about the versatility and complexity of circuit assembly mechanisms and begin to unravel the rules that govern how and when certain strategies are used. To illustrate the value of such an approach, we present some examples of basic developmental events that unfold similarly and differently in the functionally specialized circuits for seeing and hearing, with a focus on the local circuitry and primary afferent projections of the vertebrate retina and cochlea. ADVANCES Comparing and contrasting the development of retinal and cochlear circuitry in the context of each system’s functional demands reveals a common theme: Similar developmental events and strategies are evident in both circuits, but each system’s unique circuit features arise from relative differences in their reliance on those common mechanisms. For instance, neuronal heterogeneity and wiring complexity in the sense organ, as well as the number of central targets, are all relatively greater in the visual system than in the auditory system of vertebrates. As such, the retina relies heavily on neuronal identity–driven adhesion codes to assemble local synaptic connections among a large number of different neuronal subtypes. In turn, fasciculation plays a more prominent role in maintaining spatial relationships among cochlear afferents, whose identity is shaped by synaptic activity. The relative simplicity of wiring in the cochlea versus the retina parallels the computational handling in the two circuits: Both systems perform a combination of local and central computations to encode sensory stimuli, but more extensive parsing occurs locally in the retina than in the cochlea. Instead, auditory afferents project to the auditory brainstem and then arborize locally in their target to initiate a series of parallel computations. Within the different cellular contexts of these developing circuits, even the same molecules can mediate distinct functions. For example, canonical Eph/ephrin gradients guide retinotopic mapping, whereas in the cochlea, the same molecules mediate fasciculation and segregation of peripheral inputs. Therefore, the formation of topographic maps in the visual and auditory systems, although superficially similar, appears to rely on overlapping yet distinct mechanisms. OUTLOOK Although there is broad agreement about the basic development events that form a functional circuit, we remain unable to explain the wiring of any circuit completely. Looking forward, we need to define the full range of developmental strategies and identify points of flexibility that adapt each mechanism to specific wiring challenges. With the availability of sophisticated methods to visualize and manipulate developing circuits, today’s researchers are no longer limited to experimentally accessible systems and can characterize phenotypes with ever greater resolution and depth, from the position of an individual synapse to the effects of a single manipulation on the whole genome. By taking a deep dive into the contributions of supposedly well-understood developmental processes in circuits with fundamentally different architectures, we can reveal novel roles for familiar mechanisms and molecules, thereby expanding our knowledge of how dynamic and versatile strategies are harnessed to create the diverse circuits needed for complex behavior. A balancing act: Wiring visual and auditory circuits. (A and B) Afferent projections from the retina (A) and cochlea (B) initiate circuits for seeing and hearing. In both systems, sensory stimuli are encoded topographically. However, information from the two sides of the head (green and magenta) converges at different levels. D, dorsal; L, lateral. (C) Wiring features specialized to meet the specific functional demands of sight and hearing arise by common cellular and molecular strategies operating in different ways and to different extents. The ability to perceive and interact with the world depends on a diverse array of neural circuits specialized for carrying out specific computations. Each circuit is assembled using a relatively limited number of molecules and common developmental steps, from cell fate specification to activity-dependent synaptic refinement. Given this shared toolkit, how do individual circuits acquire their characteristic properties? We explore this question by comparing development of the circuitry for seeing and hearing, highlighting a few examples where differences in each system’s sensory demands necessitate different developmental strategies.

中文翻译:

通过比较视觉和听觉的连接策略来理解神经发育

共享工具包带来的复杂多样性神经发育利用通用工具包构建了多种回路,具有共享机制、转录因子和细胞信号系统。Sitko 和 Goodrich 通过比较和对比视觉和嗅觉系统的发展来解析逻辑上的相似性和感觉信息处理上的差异。科学,本期第 14 页。eaaz6317 背景 自一个多世纪前诞生以来,发育神经生物学领域已经确定了神经回路形成的许多统一原理。例如,我们已经开始认识到细胞命运的转录调控、轴突引导和突触形成的分子机制以及跨物种的各种回路的活动依赖性细化的方式。某些系统,例如脊椎动物脊髓或视觉系统,由于其可访问性而成为历史上流行的研究选择。如今,该领域准备在此基础上研究常见机制如何灵活运作以组装整个神经系统的不同回路。通过研究各个电路如何获得其特征的细节,我们可以更多地了解电路组装机制的多功能性和复杂性,并开始阐明控制如何以及何时使用某些策略的规则。为了说明这种方法的价值,我们提供了一些基本发育事件的例子,这些事件在视觉和听觉的功能专门回路中以相似和不同的方式展开,重点关注脊椎动物视网膜和耳蜗的局部回路和初级传入投射。进展在每个系统的功能需求的背景下比较和对比视网膜和耳蜗回路的发展揭示了一个共同的主题:两个回路中明显有类似的发育事件和策略,但每个系统独特的回路特征源于它们对这些回路的依赖的相对差异。共同机制。例如,脊椎动物的视觉系统中的神经元异质性和布线复杂性以及中枢目标的数量都比听觉系统中的要大。因此,视网膜在很大程度上依赖于神经元身份驱动的粘附代码来组装大量不同神经元亚型之间的局部突触连接。反过来,束颤在维持耳蜗传入神经之间的空间关系方面发挥着更重要的作用,耳蜗传入神经的身份是由突触活动决定的。耳蜗与视网膜中的接线相对简单,这与两个电路中的计算处理是并行的:两个系统都执行本地和中央计算的组合来编码感觉刺激,但在视网膜本地发生比耳蜗更广泛的解析。反而,听觉传入投射到听觉脑干,然后在其目标中本地化,以启动一系列并行计算。在这些发育回路的不同细胞环境中,即使是相同的分子也可以介导不同的功能。例如,规范的 Eph/ephrin 梯度指导视网膜专题图,而在耳蜗中,相同的分子介导外周输入的束颤和分离。因此,视觉和听觉系统中地形图的形成虽然表面上相似,但似乎依赖于重叠但不同的机制。展望尽管人们对形成功能电路的基本开发事件达成了广泛共识,但我们仍然无法完全解释任何电路的接线。展望未来,我们需要定义全方位的发展策略,并确定使每种机制适应特定布线挑战的灵活性点。随着复杂方法的出现,可以可视化和操纵正在发育的电路,今天的研究人员不再局限于实验上可访问的系统,并且可以以更高的分辨率和深度来表征表型,从单个突触的位置到单次操作对突触的影响。整个基因组。通过深入研究具有根本不同架构的电路中被认为已被充分理解的发育过程的贡献,我们可以揭示熟悉的机制和分子的新角色,从而扩展我们对如何利用动态和多功能策略来创建多样化电路的知识复杂行为所需的。平衡行为:连接视觉和听觉回路。(A 和 B)来自视网膜 (A) 和耳蜗 (B) 的传入投射启动视觉和听觉回路。在这两个系统中,感觉刺激都是按地形编码的。然而,来自头部两侧(绿色和洋红色)的信息在不同层面上汇聚。D,背部;L,横向。(C) 专门用于满足视觉和听觉的特定功能需求的布线特征是由以不同方式和不同程度运作的常见细胞和分子策略产生的。感知世界并与世界互动的能力取决于专门用于执行特定计算的各种神经回路。每个电路都是使用相对有限数量的分子和共同的发育步骤来组装的,从细胞命运规范到活动依赖性突触细化。有了这个共享工具包,各个电路如何获得其特性?我们通过比较视觉和听觉电路的发展来探讨这个问题,并重点介绍几个例子,其中每个系统的感官需求的差异需要不同的发展策略。即使相同的分子也可以介导不同的功能。例如,规范的 Eph/ephrin 梯度指导视网膜专题图,而在耳蜗中,相同的分子介导外周输入的束颤和分离。因此,视觉和听觉系统中地形图的形成虽然表面上相似,但似乎依赖于重叠但不同的机制。展望尽管人们对形成功能电路的基本开发事件达成了广泛共识,但我们仍然无法完全解释任何电路的接线。展望未来,我们需要定义全方位的发展策略,并确定使每种机制适应特定布线挑战的灵活性点。随着复杂方法的出现,可以可视化和操纵正在发育的电路,今天的研究人员不再局限于实验上可访问的系统,并且可以以更高的分辨率和深度来表征表型,从单个突触的位置到单次操作对突触的影响。整个基因组。通过深入研究具有根本不同架构的电路中被认为已被充分理解的发育过程的贡献,我们可以揭示熟悉的机制和分子的新角色,从而扩展我们对如何利用动态和多功能策略来创建多样化电路的知识复杂行为所需的。平衡行为:连接视觉和听觉回路。(A 和 B)来自视网膜 (A) 和耳蜗 (B) 的传入投射启动视觉和听觉回路。在这两个系统中,感觉刺激都是按地形编码的。然而,来自头部两侧(绿色和洋红色)的信息在不同层面上汇聚。D,背部;L,横向。(C) 专门用于满足视觉和听觉的特定功能需求的布线特征是由以不同方式和不同程度运作的常见细胞和分子策略产生的。感知世界并与世界互动的能力取决于专门用于执行特定计算的各种神经回路。每个电路都是使用相对有限数量的分子和共同的发育步骤来组装的,从细胞命运规范到活动依赖性突触细化。有了这个共享工具包,各个电路如何获得其特性?我们通过比较视觉和听觉电路的发展来探讨这个问题,并重点介绍几个例子,其中每个系统的感官需求的差异需要不同的发展策略。即使相同的分子也可以介导不同的功能。例如,规范的 Eph/ephrin 梯度指导视网膜专题图,而在耳蜗中,相同的分子介导外周输入的束颤和分离。因此,视觉和听觉系统中地形图的形成虽然表面上相似,但似乎依赖于重叠但不同的机制。展望尽管人们对形成功能电路的基本开发事件达成了广泛共识,但我们仍然无法完全解释任何电路的接线。展望未来,我们需要定义全方位的发展策略,并确定使每种机制适应特定布线挑战的灵活性点。随着复杂方法的出现,可以可视化和操纵正在发育的电路,今天的研究人员不再局限于实验上可访问的系统,并且可以以更高的分辨率和深度来表征表型,从单个突触的位置到单次操作对突触的影响。整个基因组。通过深入研究具有根本不同架构的电路中被认为已被充分理解的发育过程的贡献,我们可以揭示熟悉的机制和分子的新角色,从而扩展我们对如何利用动态和多功能策略来创建多样化电路的知识复杂行为所需的。平衡行为:连接视觉和听觉回路。(A 和 B)来自视网膜 (A) 和耳蜗 (B) 的传入投射启动视觉和听觉回路。在这两个系统中,感觉刺激都是按地形编码的。然而,来自头部两侧(绿色和洋红色)的信息在不同层面上汇聚。D,背部;L,横向。(C) 专门用于满足视觉和听觉的特定功能需求的布线特征是由以不同方式和不同程度运作的常见细胞和分子策略产生的。感知世界并与世界互动的能力取决于专门用于执行特定计算的各种神经回路。每个电路都是使用相对有限数量的分子和共同的发育步骤来组装的,从细胞命运规范到活动依赖性突触细化。有了这个共享工具包,各个电路如何获得其特性?我们通过比较视觉和听觉电路的发展来探讨这个问题,并重点介绍几个例子,其中每个系统的感官需求的差异需要不同的发展策略。似乎依赖于重叠但不同的机制。展望尽管人们对形成功能电路的基本开发事件达成了广泛共识,但我们仍然无法完全解释任何电路的接线。展望未来,我们需要定义全方位的发展策略,并确定使每种机制适应特定布线挑战的灵活性点。随着复杂方法的出现,可以可视化和操纵正在发育的电路,今天的研究人员不再局限于实验上可访问的系统,并且可以以更高的分辨率和深度来表征表型,从单个突触的位置到单次操作对突触的影响。整个基因组。通过深入研究具有根本不同架构的电路中被认为已被充分理解的发育过程的贡献,我们可以揭示熟悉的机制和分子的新角色,从而扩展我们对如何利用动态和多功能策略来创建多样化电路的知识复杂行为所需的。平衡行为:连接视觉和听觉回路。(A 和 B)来自视网膜 (A) 和耳蜗 (B) 的传入投射启动视觉和听觉回路。在这两个系统中,感觉刺激都是按地形编码的。然而,来自头部两侧(绿色和洋红色)的信息在不同层面上汇聚。D,背部;L,横向。(C) 专门用于满足视觉和听觉的特定功能需求的布线特征是由以不同方式和不同程度运作的常见细胞和分子策略产生的。感知世界并与世界互动的能力取决于专门用于执行特定计算的各种神经回路。每个电路都是使用相对有限数量的分子和共同的发育步骤来组装的,从细胞命运规范到活动依赖性突触细化。有了这个共享工具包,各个电路如何获得其特性?我们通过比较视觉和听觉电路的发展来探讨这个问题,并重点介绍几个例子,其中每个系统的感官需求的差异需要不同的发展策略。似乎依赖于重叠但不同的机制。展望尽管人们对形成功能电路的基本开发事件达成了广泛共识,但我们仍然无法完全解释任何电路的接线。展望未来,我们需要定义全方位的发展策略,并确定使每种机制适应特定布线挑战的灵活性点。随着复杂方法的出现,可以可视化和操纵正在发育的电路,今天的研究人员不再局限于实验上可访问的系统,并且可以以更高的分辨率和深度来表征表型,从单个突触的位置到单次操作对突触的影响。整个基因组。通过深入研究具有根本不同架构的电路中被认为已被充分理解的发育过程的贡献,我们可以揭示熟悉的机制和分子的新角色,从而扩展我们对如何利用动态和多功能策略来创建多样化电路的知识复杂行为所需的。平衡行为:连接视觉和听觉回路。(A 和 B)来自视网膜 (A) 和耳蜗 (B) 的传入投射启动视觉和听觉回路。在这两个系统中,感觉刺激都是按地形编码的。然而,来自头部两侧(绿色和洋红色)的信息在不同层面上汇聚。D,背部;L,横向。(C) 专门用于满足视觉和听觉的特定功能需求的布线特征是由以不同方式和不同程度运作的常见细胞和分子策略产生的。感知世界并与世界互动的能力取决于专门用于执行特定计算的各种神经回路。每个电路都是使用相对有限数量的分子和共同的发育步骤来组装的,从细胞命运规范到活动依赖性突触细化。有了这个共享工具包,各个电路如何获得其特性?我们通过比较视觉和听觉电路的发展来探讨这个问题,并重点介绍几个例子,其中每个系统的感官需求的差异需要不同的发展策略。从单个突触的位置到单个操作对整个基因组的影响。通过深入研究具有根本不同架构的电路中被认为已被充分理解的发育过程的贡献,我们可以揭示熟悉的机制和分子的新角色,从而扩展我们对如何利用动态和多功能策略来创建多样化电路的知识复杂行为所需的。平衡行为:连接视觉和听觉回路。(A 和 B)来自视网膜 (A) 和耳蜗 (B) 的传入投射启动视觉和听觉回路。在这两个系统中,感觉刺激都是按地形编码的。然而,来自头部两侧(绿色和洋红色)的信息在不同层面上汇聚。D,背部;L,横向。(C) 专门用于满足视觉和听觉的特定功能需求的布线特征是由以不同方式和不同程度运作的常见细胞和分子策略产生的。感知世界并与世界互动的能力取决于专门用于执行特定计算的各种神经回路。每个电路都是使用相对有限数量的分子和共同的发育步骤来组装的,从细胞命运规范到活动依赖性突触细化。有了这个共享工具包,各个电路如何获得其特性?我们通过比较视觉和听觉电路的发展来探讨这个问题,并重点介绍几个例子,其中每个系统的感官需求的差异需要不同的发展策略。从单个突触的位置到单个操作对整个基因组的影响。通过深入研究具有根本不同架构的电路中被认为已被充分理解的发育过程的贡献,我们可以揭示熟悉的机制和分子的新角色,从而扩展我们对如何利用动态和多功能策略来创建多样化电路的知识复杂行为所需的。平衡行为:连接视觉和听觉回路。(A 和 B)来自视网膜 (A) 和耳蜗 (B) 的传入投射启动视觉和听觉回路。在这两个系统中,感觉刺激都是按地形编码的。然而,来自头部两侧(绿色和洋红色)的信息在不同层面上汇聚。D,背部;L,横向。(C) 专门用于满足视觉和听觉的特定功能需求的布线特征是由以不同方式和不同程度运作的常见细胞和分子策略产生的。感知世界并与世界互动的能力取决于专门用于执行特定计算的各种神经回路。每个电路都是使用相对有限数量的分子和共同的发育步骤来组装的,从细胞命运规范到活动依赖性突触细化。有了这个共享工具包,各个电路如何获得其特性?我们通过比较视觉和听觉电路的发展来探讨这个问题,并重点介绍几个例子,其中每个系统的感官需求的差异需要不同的发展策略。各个电路如何获得其特性?我们通过比较视觉和听觉电路的发展来探讨这个问题,并重点介绍几个例子,其中每个系统的感官需求的差异需要不同的发展策略。各个电路如何获得其特性?我们通过比较视觉和听觉电路的发展来探讨这个问题,并重点介绍几个例子,其中每个系统的感官需求的差异需要不同的发展策略。
更新日期:2021-01-07
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