Stor neuron, der styrer bevægelse i orme, opdaget, vigtig for behandling af mennesker

Forskere fra Sinai Health og University of Toronto har opdaget en mekanisme i nervesystemet hos den lille rundorm C. elegans, der kan have betydelige konsekvenser for behandlingen af menneskelige sygdomme og udviklingen af robotteknologi.

Undersøgelsen, ledet af Mei Zhen og kolleger ved Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute, er offentliggjort i tidsskriftet Science Advances og afslører den centrale rolle, som en specifik neuron kaldet AVA spiller i at kontrollere ormens evne til at skifte mellem bevægelse fremad og bagud.

Det er essentielt for orme at kravle mod fødekilder og hurtigt trække sig tilbage fra fare. Denne adfærd, hvor de to handlinger udelukker hinanden, er typisk for mange dyr, herunder mennesker, som ikke kan sidde og løbe på samme tid.

Forskere har længe troet, at bevægelseskontrol hos orme opnås gennem den simple interaktion mellem to neuroner: AVA og AVB. Førstnævnte mentes at fremme baglæns bevægelse, sidstnævnte fremadrettet bevægelse, hvor hver hæmmer den anden for at kontrollere bevægelsesretningen.

Nye data fra Zhens team udfordrer dog denne opfattelse og afslører en mere kompleks interaktion, hvor AVA-neuronen spiller en dobbeltrolle. Den stopper ikke blot øjeblikkeligt fremadgående bevægelse ved at undertrykke AVB, men opretholder også langsigtet stimulering af AVB for at sikre en gnidningsløs overgang tilbage til fremadgående bevægelse.

Denne opdagelse fremhæver AVA-neuronens evne til fint at kontrollere bevægelse gennem forskellige mekanismer afhængigt af forskellige signaler og på forskellige tidsskalaer.

"Fra et ingeniørmæssigt perspektiv er dette et meget økonomisk design," siger Zheng, professor i molekylær genetik ved University of Torontos Temerty School of Medicine. "En stærk, vedvarende hæmning af feedback-sløjfen gør det muligt for dyret at reagere på ugunstige forhold og undslippe. Samtidig fortsætter kontrolneuronen med at pumpe en konstant gas ind i den fremadrettede løkke for at bevæge sig til sikre steder."

Jun Meng, en tidligere ph.d.-studerende i Zhengs laboratorium, der ledede studiet, sagde, at forståelsen af, hvordan dyr overgår mellem sådanne modsatrettede motoriske tilstande, er nøglen til at forstå, hvordan dyr bevæger sig, såvel som til forskning i neurologiske lidelser.

Opdagelsen af AVA-neuronens dominerende rolle giver nye indsigter i neurale kredsløb, som forskere har studeret siden moderne genetiks fremkomst for mere end et halvt århundrede siden. Zhengs laboratorium har med succes brugt banebrydende teknologi til præcist at modulere aktiviteten af individuelle neuroner og registrere data fra levende orme i bevægelse.

Zhen, der også er professor i celle- og systembiologi ved University of Torontos Faculty of Arts and Sciences, understreger vigtigheden af tværfagligt samarbejde i dette studie. Meng udførte de vigtigste eksperimenter, og elektriske optagelser fra neuroner blev udført af Bin Yu, en ph.d.-studerende i Shangbang Gaos laboratorium ved Huazhong University of Science and Technology i Kina.

Tosif Ahmed, en tidligere postdoc i Zhengs laboratorium og nu teoriforsker på HHMIs Janelia Research Campus i USA, ledede den matematiske modellering, der var vigtig for at teste hypoteser og opnå nye indsigter.

AVA og AVB har forskellige membranpotentialintervaller og dynamikker. Kilde: Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk0002

Undersøgelsens resultater giver en forenklet model til at studere, hvordan neuroner kan håndtere flere roller i bevægelseskontrol - et koncept, der også kunne anvendes på menneskelige neurologiske tilstande.

For eksempel afhænger AVA's dobbeltrolle af dens elektriske potentiale, som reguleres af ionkanaler på dens overflade. Zheng undersøger allerede, hvordan lignende mekanismer kan være involveret i en sjælden tilstand kendt som CLIFAHDD-syndrom, forårsaget af mutationer i lignende ionkanaler. De nye fund kan også informere designet af mere adaptive og effektive robotsystemer, der er i stand til at udføre komplekse bevægelser.

"Fra den moderne videnskabs oprindelse til banebrydende forskning i dag har modelorganismer som C. elegans spillet en vigtig rolle i at afdække kompleksiteten af vores biologiske systemer," sagde Anne-Claude Gingras, direktør for Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute og vicepræsident for forskning hos Sinai Health. "Denne undersøgelse er et godt eksempel på, hvordan vi kan lære af simple dyr og anvende den viden til at fremme medicin og teknologi."