Odkryto główny neuron kontrolujący ruch u robaków, ważny dla leczenia ludzi

Naukowcy z Sinai Health i Uniwersytetu w Toronto odkryli mechanizm w układzie nerwowym maleńkiego nicienia C. elegans, który może mieć istotne znaczenie dla leczenia chorób u ludzi i rozwoju robotyki.

Badanie przeprowadzone przez Mei Zhen i współpracowników z Instytutu Badawczego Lunenfeld-Tanenbaum zostało opublikowane w czasopiśmie Science Advances i ujawnia kluczową rolę konkretnego neuronu o nazwie AVA w kontrolowaniu zdolności robaka do przełączania się między ruchem do przodu i do tyłu.

Dla robaków istotne jest, aby pełzać w kierunku źródeł pożywienia i szybko wycofywać się z niebezpieczeństwa. To zachowanie, w którym te dwa działania wzajemnie się wykluczają, jest typowe dla wielu zwierząt, w tym ludzi, którzy nie potrafią siedzieć i biegać w tym samym czasie.

Naukowcy od dawna uważają, że kontrola ruchu u robaków odbywa się poprzez prostą interakcję dwóch neuronów: AVA i AVB. Uważano, że pierwszy z nich promuje ruch wsteczny, drugi ruch do przodu, przy czym każdy z nich hamuje drugi, aby kontrolować kierunek ruchu.

Jednak nowe dane zespołu Zhena podważają ten pogląd, ujawniając bardziej złożoną interakcję, w której neuron AVA odgrywa podwójną rolę. Nie tylko natychmiast zatrzymuje ruch do przodu, tłumiąc AVB, ale także utrzymuje długoterminową stymulację AVB, aby zapewnić płynne przejście z powrotem do ruchu do przodu.

Odkrycie to podkreśla zdolność neuronu AVA do precyzyjnego kontrolowania ruchu poprzez różne mechanizmy, zależnie od różnych sygnałów i różnych skal czasowych.

„Z perspektywy inżynierii jest to bardzo ekonomiczny projekt” — mówi Zheng, profesor genetyki molekularnej w Temerty School of Medicine na Uniwersytecie w Toronto. „Silne, stałe hamowanie pętli sprzężenia zwrotnego pozwala zwierzęciu reagować na niekorzystne warunki i uciekać. Jednocześnie neuron kontrolny nadal pompuje stały gaz do pętli do przodu, aby przemieszczać się w bezpieczne miejsca”.

Jun Meng, były doktorant w laboratorium Zhenga, który kierował badaniem, powiedział, że zrozumienie, w jaki sposób zwierzęta przechodzą między tak przeciwstawnymi stanami ruchowymi, jest kluczowe dla zrozumienia, jak zwierzęta się poruszają, a także dla badań nad zaburzeniami neurologicznymi.

Odkrycie dominującej roli neuronu AVA oferuje nowe spojrzenie na obwody neuronowe, które naukowcy badali od czasu pojawienia się nowoczesnej genetyki ponad pół wieku temu. Laboratorium Zhenga z powodzeniem wykorzystało najnowocześniejszą technologię do precyzyjnej modulacji aktywności poszczególnych neuronów i rejestrowania danych z żywych robaków w ruchu.

Zhen, również profesor biologii komórkowej i systemowej na Wydziale Sztuk i Nauk Uniwersytetu w Toronto, podkreśla znaczenie współpracy interdyscyplinarnej w tym badaniu. Meng przeprowadził kluczowe eksperymenty, a zapisy elektryczne z neuronów wykonał Bin Yu, doktorant w laboratorium Shangbanga Gao na Huazhong University of Science and Technology w Chinach.

Tosif Ahmed, były pracownik naukowy w laboratorium Zhenga, a obecnie pracownik naukowy w Janelia Research Campus należącym do HHMI w USA, kierował modelowaniem matematycznym, które okazało się ważne dla testowania hipotez i uzyskiwania nowych spostrzeżeń.

AVA i AVB mają różne zakresy potencjału błonowego i dynamikę. Źródło: Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk0002

Wyniki badania dostarczają uproszczonego modelu badania, w jaki sposób neurony mogą zarządzać wieloma rolami w kontroli ruchu — koncepcję, którą można zastosować również do ludzkich schorzeń neurologicznych.

Na przykład podwójna rola AVA zależy od jej potencjału elektrycznego, który jest regulowany przez kanały jonowe na jej powierzchni. Zheng bada już, w jaki sposób podobne mechanizmy mogą być zaangażowane w rzadką chorobę znaną jako zespół CLIFAHDD, spowodowaną mutacjami w podobnych kanałach jonowych. Nowe odkrycia mogą również pomóc w projektowaniu bardziej adaptacyjnych i wydajnych systemów robotycznych zdolnych do wykonywania złożonych ruchów.

„Od początków współczesnej nauki do najnowszych badań, organizmy modelowe, takie jak C. elegans, odegrały ważną rolę w odkrywaniu złożoności naszych systemów biologicznych” — powiedziała Anne-Claude Gingras, dyrektor Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute i wiceprezes ds. badań w Sinai Health. „To badanie jest świetnym przykładem tego, jak możemy uczyć się od prostych zwierząt i stosować tę wiedzę do rozwoju medycyny i technologii”.