Viktigt neuron som styr rörelser hos maskar upptäckt, viktigt för behandling av människor

Forskare från Sinai Health och University of Toronto har upptäckt en mekanism i nervsystemet hos den lilla rundmasken C. elegans som kan få betydande konsekvenser för behandling av mänskliga sjukdomar och utvecklingen av robotteknik.

Studien, som leds av Mei Zhen och kollegor vid Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute, publiceras i tidskriften Science Advances och avslöjar den nyckelroll som en specifik neuron som kallas AVA spelar i att kontrollera maskens förmåga att växla mellan framåt- och bakåtrörelse.

Det är viktigt för maskar att krypa mot födokällor och snabbt dra sig tillbaka från fara. Detta beteende, där de två handlingarna utesluter varandra, är typiskt för många djur, inklusive människor, som inte kan sitta och springa samtidigt.

Forskare har länge trott att rörelsekontroll hos maskar uppnås genom den enkla interaktionen mellan två neuroner: AVA och AVB. Den förra ansågs främja bakåtrörelse, den senare framåtrörelse, där var och en hämmar den andra för att kontrollera rörelseriktningen.

Nya data från Zhens team utmanar dock denna uppfattning och avslöjar en mer komplex interaktion där AVA-neuronen spelar en dubbel roll. Den stoppar inte bara omedelbart framåtrörelsen genom att undertrycka AVB, utan upprätthåller också långsiktig stimulering av AVB för att säkerställa en smidig övergång tillbaka till framåtrörelsen.

Denna upptäckt belyser AVA-neuronens förmåga att finjustera rörelse genom olika mekanismer beroende på olika signaler och på olika tidsskalor.

"Ur ett ingenjörsperspektiv är detta en mycket ekonomisk design", säger Zheng, professor i molekylärgenetik vid University of Torontos Temerty School of Medicine. "Stark, ihållande hämning av återkopplingsslingan gör att djuret kan reagera på ogynnsamma förhållanden och fly. Samtidigt fortsätter kontrollneuronen att pumpa en konstant gas in i framåtslingan för att förflytta sig till säkra platser."

Jun Meng, en tidigare doktorand i Zhengs laboratorium som ledde studien, sa att förståelse för hur djur övergår mellan sådana motsatta motoriska tillstånd är nyckeln till att förstå hur djur rör sig, såväl som för forskning om neurologiska störningar.

Upptäckten av AVA-neuronens dominerande roll ger nya insikter i neurala kretsar som forskare har studerat sedan modern genetiks tillkomst för mer än ett halvt sekel sedan. Zhengs laboratorium använde framgångsrikt banbrytande teknik för att exakt modulera aktiviteten hos enskilda neuroner och registrera data från levande maskar i rörelse.

Zhen, även professor i cell- och systembiologi vid University of Torontos fakultet för humaniora och naturvetenskap, betonar vikten av tvärvetenskapligt samarbete i denna studie. Meng genomförde de viktigaste experimenten, och elektriska registreringar från neuroner utfördes av Bin Yu, en doktorand i Shangbang Gaos laboratorium vid Huazhong University of Science and Technology i Kina.

Tosif Ahmed, en tidigare postdoktor i Zhengs laboratorium och nu teoriforskare vid HHMI:s Janelia Research Campus i USA, ledde den matematiska modelleringen som var viktig för att testa hypoteser och få nya insikter.

AVA och AVB har olika membranpotentialintervall och dynamik. Källa: Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk0002

Studiens resultat ger en förenklad modell för att studera hur neuroner kan hantera flera roller i rörelsekontroll – ett koncept som också skulle kunna tillämpas på mänskliga neurologiska tillstånd.

Till exempel beror AVA:s dubbla roll på dess elektriska potential, som regleras av jonkanaler på dess yta. Zheng undersöker redan hur liknande mekanismer kan vara involverade i ett sällsynt tillstånd som kallas CLIFAHDD-syndrom, orsakat av mutationer i liknande jonkanaler. De nya fynden skulle också kunna ligga till grund för utformningen av mer adaptiva och effektiva robotsystem som kan utföra komplexa rörelser.

”Från den moderna vetenskapens ursprung till dagens banbrytande forskning har modellorganismer som C. elegans spelat en viktig roll i att avslöja komplexiteten i våra biologiska system”, säger Anne-Claude Gingras, chef för Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute och vice vd för forskning på Sinai Health. ”Denna studie är ett utmärkt exempel på hur vi kan lära av enkla djur och tillämpa den kunskapen för att främja medicin och teknik.”