Atklāts galvenais neirons, kas kontrolē tārpu kustības, un tas ir svarīgi cilvēku ārstēšanai

Sinai Health un Toronto Universitātes pētnieki ir atklājuši mehānismu sīkā apaļtārpa C. elegans nervu sistēmā, kam varētu būt būtiska ietekme uz cilvēku slimību ārstēšanu un robotikas attīstību.

Pētījums, ko vadīja Mei Zhen un viņa kolēģi Lunenfeld-Tanenbaum pētniecības institūtā, ir publicēts žurnālā Science Advances un atklāj specifiska neirona, ko sauc par AVA, galveno lomu tārpa spējas kontrolēšanā pārslēgties starp kustību uz priekšu un atpakaļ.

Tārpiem ir svarīgi rāpot barības avotu virzienā un ātri atkāpties no briesmām. Šī uzvedība, kur abas darbības ir savstarpēji izslēdzošas, ir raksturīga daudziem dzīvniekiem, tostarp cilvēkiem, kuri nevar vienlaikus sēdēt un skriet.

Zinātnieki jau sen uzskata, ka tārpu kustību kontrole tiek panākta, pateicoties divu neironu — AVA un AVB — vienkāršai mijiedarbībai. Tika uzskatīts, ka pirmais veicina kustību atpakaļ, bet otrais — kustību uz priekšu, katram neironam kavējot otru, lai kontrolētu kustības virzienu.

Tomēr jauni dati no Džena komandas apstrīd šo viedokli, atklājot sarežģītāku mijiedarbību, kurā AVA neironam ir divējāda loma. Tas ne tikai nekavējoties aptur kustību uz priekšu, nomācot AVB, bet arī uztur AVB ilgtermiņa stimulāciju, lai nodrošinātu vienmērīgu pāreju atpakaļ uz kustību uz priekšu.

Šis atklājums izceļ AVA neirona spēju smalki kontrolēt kustību, izmantojot dažādus mehānismus atkarībā no dažādiem signāliem un dažādiem laika periodiem.

"No inženiertehniskā viedokļa šis ir ļoti ekonomisks dizains," saka Džens, molekulārās ģenētikas profesors Toronto Universitātes Temerti Medicīnas skolā. "Spēcīga, ilgstoša atgriezeniskās saites cilpas inhibīcija ļauj dzīvniekam reaģēt uz nelabvēlīgiem apstākļiem un izbēgt. Tajā pašā laikā kontroles neirons turpina pastāvīgi sūknēt gāzi priekšējā cilpā, lai pārvietotos uz drošām vietām."

Džuns Mengs, bijušais Džena laboratorijas doktorants, kurš vadīja pētījumu, teica, ka izpratne par to, kā dzīvnieki pāriet starp šādiem pretējiem motoriskajiem stāvokļiem, ir būtiska, lai izprastu, kā dzīvnieki pārvietojas, kā arī neiroloģisko traucējumu pētījumos.

AVA neirona dominējošās lomas atklāšana sniedz jaunu ieskatu neironu shēmās, ko zinātnieki ir pētījuši kopš mūsdienu ģenētikas parādīšanās pirms vairāk nekā pusgadsimta. Džena laboratorija veiksmīgi izmantoja jaunākās tehnoloģijas, lai precīzi modulētu atsevišķu neironu aktivitāti un ierakstītu datus no dzīviem tārpiem kustībā.

Džens, kurš ir arī šūnu un sistēmu bioloģijas profesors Toronto Universitātes Mākslas un zinātņu fakultātē, uzsver starpdisciplināras sadarbības nozīmi šajā pētījumā. Mens veica galvenos eksperimentus, un elektriskos ierakstus no neironiem veica Bins Ju, doktorants Šanbanga Gao laboratorijā Huažunas Zinātnes un tehnoloģiju universitātē Ķīnā.

Tosifs Ahmeds, bijušais pēcdotorantūras stipendiāts Dženga laboratorijā un tagad teorijas stipendiāts HHMI Džanelijas pētniecības pilsētiņā ASV, vadīja matemātisko modelēšanu, kas bija svarīga hipotēžu pārbaudei un jaunu ieskatu iegūšanai.

AVA un AVB membrānas potenciālu diapazoni un dinamika ir atšķirīgi. Avots: Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk0002

Pētījuma rezultāti sniedz vienkāršotu modeli, lai pētītu, kā neironi var pārvaldīt vairākas lomas kustību kontrolē - koncepciju, ko varētu piemērot arī cilvēka neiroloģiskajiem stāvokļiem.

Piemēram, AVA divējāda loma ir atkarīga no tā elektriskā potenciāla, ko regulē jonu kanāli uz tā virsmas. Džens jau pēta, kā līdzīgi mehānismi varētu būt iesaistīti retā stāvoklī, kas pazīstams kā CLIFAHDD sindroms, ko izraisa mutācijas līdzīgos jonu kanālos. Jaunie atklājumi varētu arī sniegt informāciju adaptīvāku un efektīvāku robotu sistēmu, kas spēj veikt sarežģītas kustības, izstrādei.

“No mūsdienu zinātnes pirmsākumiem līdz pat mūsdienu visprogresīvākajiem pētījumiem tādi modeļorganismi kā C. elegans ir spēlējuši nozīmīgu lomu mūsu bioloģisko sistēmu sarežģītības atklāšanā,” sacīja Anna Kloda Gingrasa, Lunenfelda-Tanenbauma pētniecības institūta direktore un Sinai Health pētniecības viceprezidente. “Šis pētījums ir lielisks piemērs tam, kā mēs varam mācīties no vienkāršiem dzīvniekiem un pielietot šīs zināšanas medicīnas un tehnoloģiju attīstībai.”