Ανακαλύφθηκε σημαντικός νευρώνας που ελέγχει την κίνηση στα σκουλήκια, σημαντικός για την ανθρώπινη θεραπεία

Ερευνητές από το Sinai Health και το Πανεπιστήμιο του Τορόντο ανακάλυψαν έναν μηχανισμό στο νευρικό σύστημα του μικροσκοπικού στρογγυλού σκουληκιού C. elegans που θα μπορούσε να έχει σημαντικές επιπτώσεις στη θεραπεία ανθρώπινων ασθενειών και στην ανάπτυξη της ρομποτικής.

Η μελέτη, με επικεφαλής την Mei Zhen και τους συναδέλφους της στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Lunenfeld-Tanenbaum, δημοσιεύεται στο περιοδικό Science Advances και αποκαλύπτει τον βασικό ρόλο ενός συγκεκριμένου νευρώνα που ονομάζεται AVA στον έλεγχο της ικανότητας του σκουληκιού να εναλλάσσεται μεταξύ κίνησης προς τα εμπρός και προς τα πίσω.

Είναι απαραίτητο τα σκουλήκια να σέρνονται προς τις πηγές τροφής και να υποχωρούν γρήγορα μακριά από τον κίνδυνο. Αυτή η συμπεριφορά, όπου οι δύο ενέργειες αλληλοαποκλείονται, είναι χαρακτηριστική για πολλά ζώα, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων, που δεν μπορούν να κάθονται και να τρέχουν ταυτόχρονα.

Οι επιστήμονες πίστευαν εδώ και καιρό ότι ο έλεγχος της κίνησης στα σκουλήκια επιτυγχάνεται μέσω της απλής αλληλεπίδρασης δύο νευρώνων: του AVA και του AVB. Θεωρούνταν ότι ο πρώτος προάγει την κίνηση προς τα πίσω, ο δεύτερος την κίνηση προς τα εμπρός, με τον καθένα να αναστέλλει τον άλλον να ελέγχει την κατεύθυνση της κίνησης.

Ωστόσο, νέα δεδομένα από την ομάδα του Zhen αμφισβητούν αυτή την άποψη, αποκαλύπτοντας μια πιο σύνθετη αλληλεπίδραση στην οποία ο νευρώνας AVA παίζει διπλό ρόλο. Όχι μόνο σταματά αμέσως την κίνηση προς τα εμπρός καταστέλλοντας την AVB, αλλά διατηρεί επίσης τη μακροχρόνια διέγερση της AVB για να εξασφαλίσει μια ομαλή μετάβαση πίσω στην κίνηση προς τα εμπρός.

Αυτή η ανακάλυψη υπογραμμίζει την ικανότητα του νευρώνα AVA να ελέγχει με ακρίβεια την κίνηση μέσω διαφορετικών μηχανισμών ανάλογα με διαφορετικά σήματα και σε διαφορετικές χρονικές κλίμακες.

«Από μηχανικής άποψης, αυτός είναι ένας πολύ οικονομικός σχεδιασμός», λέει ο Zheng, καθηγητής μοριακής γενετικής στην Ιατρική Σχολή Temerty του Πανεπιστημίου του Τορόντο. «Η ισχυρή, παρατεταμένη αναστολή του βρόχου ανάδρασης επιτρέπει στο ζώο να αντιδρά σε αντίξοες συνθήκες και να διαφεύγει. Ταυτόχρονα, ο νευρώνας ελέγχου συνεχίζει να αντλεί ένα σταθερό αέριο στον εμπρόσθιο βρόχο για να μετακινηθεί σε ασφαλείς τοποθεσίες».

Ο Jun Meng, πρώην διδακτορικός φοιτητής στο εργαστήριο του Zheng, ο οποίος ηγήθηκε της μελέτης, δήλωσε ότι η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα ζώα μεταβαίνουν μεταξύ τέτοιων αντίθετων κινητικών καταστάσεων είναι το κλειδί για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο κινούνται τα ζώα, καθώς και για την έρευνα σχετικά με τις νευρολογικές διαταραχές.

Η ανακάλυψη του κυρίαρχου ρόλου του νευρώνα AVA προσφέρει νέες γνώσεις για τα νευρωνικά κυκλώματα που οι επιστήμονες έχουν μελετήσει από την έλευση της σύγχρονης γενετικής πριν από περισσότερο από μισό αιώνα. Το εργαστήριο του Zheng χρησιμοποίησε με επιτυχία τεχνολογία αιχμής για να ρυθμίσει με ακρίβεια τη δραστηριότητα μεμονωμένων νευρώνων και να καταγράψει δεδομένα από ζωντανά σκουλήκια εν κινήσει.

Ο Zhen, επίσης καθηγητής κυτταρικής και συστημικής βιολογίας στη Σχολή Τεχνών και Επιστημών του Πανεπιστημίου του Τορόντο, τονίζει τη σημασία της διεπιστημονικής συνεργασίας σε αυτή τη μελέτη. Ο Meng διεξήγαγε τα βασικά πειράματα και οι ηλεκτρικές καταγραφές από νευρώνες πραγματοποιήθηκαν από τον Bin Yu, διδακτορικό φοιτητή στο εργαστήριο του Shangbang Gao στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας Huazhong στην Κίνα.

Ο Tosif Ahmed, πρώην μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο του Zheng και νυν Θεωρητικός Συνεργάτης στην Ερευνητική Πανεπιστημιούπολη Janelia του HHMI στις ΗΠΑ, ηγήθηκε της μαθηματικής μοντελοποίησης που ήταν σημαντική για τον έλεγχο υποθέσεων και την απόκτηση νέων γνώσεων.

Τα AVA και AVB έχουν διαφορετικά εύρη δυναμικού μεμβράνης και δυναμική. Πηγή: Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk0002

Τα ευρήματα της μελέτης παρέχουν ένα απλοποιημένο μοντέλο για τη μελέτη του τρόπου με τον οποίο οι νευρώνες μπορούν να διαχειρίζονται πολλαπλούς ρόλους στον έλεγχο της κίνησης - μια έννοια που θα μπορούσε επίσης να εφαρμοστεί σε ανθρώπινες νευρολογικές παθήσεις.

Για παράδειγμα, ο διπλός ρόλος του AVA εξαρτάται από το ηλεκτρικό του δυναμικό, το οποίο ρυθμίζεται από ιοντικά κανάλια στην επιφάνειά του. Ο Zheng ήδη διερευνά πώς παρόμοιοι μηχανισμοί μπορεί να εμπλέκονται σε μια σπάνια πάθηση γνωστή ως σύνδρομο CLIFAHDD, που προκαλείται από μεταλλάξεις σε παρόμοια ιοντικά κανάλια. Τα νέα ευρήματα θα μπορούσαν επίσης να συμβάλουν στον σχεδιασμό πιο προσαρμοστικών και αποτελεσματικών ρομποτικών συστημάτων ικανών να εκτελούν πολύπλοκες κινήσεις.

«Από τις απαρχές της σύγχρονης επιστήμης έως την έρευνα αιχμής σήμερα, οργανισμοί-μοντέλα όπως ο C. elegans έχουν διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στην αποκάλυψη της πολυπλοκότητας των βιολογικών μας συστημάτων», δήλωσε η Anne-Claude Gingras, διευθύντρια του Ερευνητικού Ινστιτούτου Lunenfeld-Tanenbaum και αντιπρόεδρος έρευνας στο Sinai Health. «Αυτή η μελέτη είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα του πώς μπορούμε να μάθουμε από απλά ζώα και να εφαρμόσουμε αυτή τη γνώση για την προώθηση της ιατρικής και της τεχνολογίας».