Odkrit glavni nevron, ki nadzira gibanje črvov, pomemben za zdravljenje ljudi

Raziskovalci iz Sinai Health in Univerze v Torontu so odkrili mehanizem v živčnem sistemu majhnega valjastega črva C. Elegans, ki bi lahko imel pomembne posledice za zdravljenje človeških bolezni in razvoj robotike.

Študija, ki so jo vodili Mei Zhen in njeni kolegi na raziskovalnem inštitutu Lunenfeld-Tanenbaum, je bila objavljena v Science Advances in razkriva ključno vlogo specifičnega nevrona, imenovanega AVA pri nadzoru zmožnosti črva, da preklaplja med premikanjem naprej in nazaj.

Za črve je izjemno pomembno, da se plazijo proti virom hrane in se hitro umaknejo pred nevarnostjo. To vedenje, ko se dve dejanji med seboj izključujeta, je značilno za številne živali, vključno z ljudmi, ki ne morejo sedeti in teči hkrati.

Znanstveniki že dolgo verjamejo, da je nadzor gibanja pri črvih dosežen s preprostim medsebojnim delovanjem dveh nevronov: AVA in AVB. Prvo naj bi spodbujalo gibanje nazaj, drugo pa gibanje naprej, pri čemer sta oba zatirala drugega za nadzor smeri gibanja.

Vendar pa novi podatki Zhenove ekipe izpodbijajo to idejo in razkrivajo bolj zapleteno interakcijo, kjer ima nevron AVA dvojno vlogo. Ne samo, da takoj ustavi gibanje naprej z zatiranjem AVB, ampak tudi vzdržuje dolgotrajno stimulacijo AVB, da zagotovi gladek prehod nazaj na gibanje naprej.

Ta ugotovitev poudarja sposobnost nevrona AVA, da natančno nadzoruje gibanje prek različnih mehanizmov, odvisno od različnih signalov in različnih časovnih skal.

"Z inženirskega vidika je to zelo stroškovno učinkovit dizajn," pravi Zhen, profesor molekularne genetike na Medicinski fakulteti Temerty na Univerzi v Torontu. "Močno in trajno zatiranje povratnega tokokroga omogoča živalim, da se odzovejo na neugodne razmere in pobegnejo. Istočasno krmilni nevron še naprej dovaja konstanten plin v prednji tokokrog, da se premakne na varna mesta."

Jun Meng, nekdanji doktorski študent v Zhenovem laboratoriju, ki je vodil študijo, je dejal, da je razumevanje, kako živali prehajajo med tako nasprotujočimi si motoričnimi stanji, ključno za razumevanje, kako se živali premikajo, pa tudi za raziskovanje nevroloških motenj. p>

Odkritje prevladujoče vloge nevrona AVA ponuja nov vpogled v nevronska vezja, ki so jih znanstveniki preučevali od pojava sodobne genetike pred več kot pol stoletja. Zhenov laboratorij je uspešno uporabil napredno tehnologijo za natančno modulacijo aktivnosti posameznih nevronov in beleženje podatkov iz živih črvov v gibanju.

Zhen, tudi profesor celične in sistemske biologije na Fakulteti za umetnost in znanost Univerze v Torontu, poudarja pomen interdisciplinarnega sodelovanja v tej raziskavi. Meng je izvedel ključne poskuse, električne posnetke nevronov pa je izvedel dr. Bing Yu, študent v laboratoriju Shanban Gao na Univerzi za znanost in tehnologijo Huazhong na Kitajskem.

Tosif Ahmed, nekdanji podoktorski sodelavec v Zhenovem laboratoriju in zdaj teoretični sodelavec na raziskovalnem kampusu HHMI Janelia v Združenih državah, je vodil matematično modeliranje, ki je bilo pomembno za preizkušanje hipotez in ustvarjanje novega znanja.

AVA in AVB imata različne razpone in dinamiko membranskega potenciala. Vir: Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk0002

Rezultati študije zagotavljajo poenostavljen model za preučevanje, kako lahko nevroni orkestrirajo več vlog pri nadzoru gibanja, kar je koncept, ki ga je mogoče uporabiti pri človeških nevroloških stanjih.

Na primer, dvojna vloga AVA je odvisna od njenega električnega potenciala, ki ga uravnavajo ionski kanali na njeni površini. Zhen že raziskuje, kako so lahko podobni mehanizmi vključeni v redko stanje, znano kot sindrom CLIFHDD, ki ga povzročajo mutacije v podobnih ionskih kanalih. Nove ugotovitve bi lahko prispevale tudi k razvoju bolj prilagodljivih in učinkovitih robotskih sistemov, ki so sposobni izvajati kompleksne gibe.

»Od začetkov sodobne znanosti do današnjih vrhunskih raziskav igrajo vzorčni organizmi, kot je C. Elegans, pomembno vlogo pri odkrivanju kompleksnosti naših bioloških sistemov,« je povedala Anne-Claude Gingras, direktorica raziskovalnega inštituta Lunenfeld-Tanenbaum in podpredsednik raziskav pri Sinai Health. "Ta raziskava je odličen primer, kako se lahko učimo od preprostih živali in to znanje uporabimo za napredek medicine in tehnologije."