Odkrit glavni nevron, ki nadzoruje gibanje pri črvih, kar je pomembno za zdravljenje ljudi

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

Študija, ki jo vodita Mei Zhen in sodelavci z raziskovalnega inštituta Lunenfeld-Tanenbaum, je objavljena v reviji Science Advances in razkriva ključno vlogo specifičnega nevrona, imenovanega AVA, pri nadzoru sposobnosti črva, da preklaplja med gibanjem naprej in nazaj.

Za črve je bistveno, da se plazijo proti virom hrane in se hitro umaknejo pred nevarnostjo. Takšno vedenje, kjer se obe dejanji medsebojno izključujeta, je značilno za številne živali, vključno z ljudmi, ki ne morejo hkrati sedeti in teči.

Znanstveniki že dolgo verjamejo, da se nadzor gibanja pri črvih doseže s preprosto interakcijo dveh nevronov: AVA in AVB. Prvi naj bi spodbujal gibanje nazaj, drugi pa gibanje naprej, pri čemer vsak zavira drugega in tako nadzoruje smer gibanja.

Vendar pa novi podatki Zhenove ekipe izpodbijajo to stališče in razkrivajo bolj kompleksno interakcijo, v kateri ima nevron AVA dvojno vlogo. Ne le, da takoj ustavi gibanje naprej z zaviranjem AVB, ampak tudi vzdržuje dolgoročno stimulacijo AVB, da zagotovi nemoten prehod nazaj v gibanje naprej.

To odkritje poudarja sposobnost nevrona AVA, da fino nadzoruje gibanje z različnimi mehanizmi, odvisno od različnih signalov in v različnih časovnih skalah.

»Z inženirskega vidika je to zelo ekonomična zasnova,« pravi Zheng, profesor molekularne genetike na Medicinski fakulteti Temerty Univerze v Torontu. »Močna, trajna inhibicija povratne zanke omogoča živali, da se odzove na neugodne razmere in pobegne. Hkrati kontrolni nevron še naprej črpa stalen plin v povratno zanko, da se premakne na varne lokacije.«

Jun Meng, nekdanji doktorski študent v Zhengovem laboratoriju, ki je vodil študijo, je dejal, da je razumevanje prehoda živali med takšnimi nasprotujočimi si motoričnimi stanji ključnega pomena za razumevanje gibanja živali, pa tudi za raziskave nevroloških motenj.

Odkritje dominantne vloge nevrona AVA ponuja nove vpoglede v nevronska vezja, ki jih znanstveniki preučujejo od pojava sodobne genetike pred več kot pol stoletja. Zhengov laboratorij je uspešno uporabil najsodobnejšo tehnologijo za natančno moduliranje aktivnosti posameznih nevronov in beleženje podatkov živih črvov v gibanju.

Zhen, ki je tudi profesor celične in sistemske biologije na Fakulteti za umetnost in znanost Univerze v Torontu, poudarja pomen interdisciplinarnega sodelovanja v tej študiji. Meng je izvedel ključne poskuse, električne posnetke nevronov pa je opravil Bin Yu, doktorski študent v laboratoriju Shangbang Gao na Univerzi za znanost in tehnologijo Huazhong na Kitajskem.

Tosif Ahmed, nekdanji podoktorski sodelavec v Zhengovem laboratoriju in zdaj teoretični sodelavec na raziskovalnem kampusu Janelia pri HHMI v ZDA, je vodil matematično modeliranje, ki je bilo pomembno za testiranje hipotez in pridobivanje novih spoznanj.

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

Ugotovitve študije ponujajo poenostavljen model za preučevanje, kako lahko nevroni upravljajo več vlog pri nadzoru gibanja - koncept, ki bi ga lahko uporabili tudi pri človeških nevroloških stanjih.

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

»Od začetkov sodobne znanosti do najsodobnejših raziskav danes so modelni organizmi, kot je C. elegans, igrali pomembno vlogo pri odkrivanju kompleksnosti naših bioloških sistemov,« je dejala Anne-Claude Gingras, direktorica raziskovalnega inštituta Lunenfeld-Tanenbaum in podpredsednica za raziskave pri Sinai Health. »Ta študija je odličen primer, kako se lahko učimo od preprostih živali in to znanje uporabimo za napredek medicine in tehnologije.«