Mesterneuron, der styrer bevægelse i opdagede orme, vigtig til behandling af mennesker

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

Undersøgelsen, ledet af Mei Zhen og hendes kolleger ved Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute, blev offentliggjort i Science Advances og afslører nøglerollen for en specifik neuron kaldet AVA til at kontrollere ormens evne til at skifte mellem at bevæge sig frem og tilbage.

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

Forskere har længe troet, at bevægelseskontrol hos orme opnås gennem simple gensidige handlinger af to neuroner: AVA og AVB. Førstnævnte mentes at fremme baglæns bevægelse og sidstnævnte til fremadgående bevægelse, hver undertrykker den anden for at kontrollere bevægelsesretningen.

Men nye data fra Zhens team udfordrer denne idé og afslører en mere kompleks interaktion, hvor AVA-neuronen spiller en dobbeltrolle. Den stopper ikke kun den fremadrettede bevægelse med det samme ved at undertrykke AVB, men den opretholder også langvarig AVB-stimulering for at sikre en jævn overgang tilbage til fremadgående bevægelse.

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

"Fra et ingeniørmæssigt synspunkt er dette et meget omkostningseffektivt design," siger Zhen, professor i molekylær genetik ved Temerty Fakultet for Medicin ved University of Toronto. "Stærk og vedvarende undertrykkelse af feedback-kredsløbet gør det muligt for dyr at reagere på ugunstige forhold og undslippe. Samtidig fortsætter kontrolneuronen med at levere konstant gas til det fremadrettede kredsløb for at flytte til sikre steder."

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

Opdagelsen af AVA-neuronens dominerende rolle giver ny indsigt i neurale kredsløb, som videnskabsmænd har studeret siden fremkomsten af moderne genetik for mere end et halvt århundrede siden. Zhens laboratorium har med succes brugt avanceret teknologi til præcist at modulere aktiviteten af individuelle neuroner og registrere data fra levende orme i bevægelse.

Zhen, også professor i celle- og systembiologi ved Fakultet for Kunst og Videnskab ved University of Toronto, understreger vigtigheden af tværfagligt samarbejde i denne forskning. Meng udførte nøgleeksperimenterne, og de elektriske optagelser af neuronerne blev udført af Bing Yu, Ph.D., en studerende i Shanban Gaos laboratorium ved Huazhong University of Science and Technology i Kina.

Tosif Ahmed, en tidligere postdoc-stipendiat i Zhens laboratorium og nu teoretisk fellow ved HHMI Janelia Research Campus i USA, ledede den matematiske modellering, der var vigtig for at teste hypoteser og generere ny viden.

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

Undersøgelsesresultaterne giver en forenklet model til at studere, hvordan neuroner kan orkestrere flere roller i bevægelseskontrol, et koncept, der kan anvendes på menneskelige neurologiske tilstande.

For eksempel afhænger AVA's dobbeltrolle af dets elektriske potentiale, som reguleres af ionkanaler på overfladen. Zhen er allerede ved at undersøge, hvordan lignende mekanismer kan være involveret i en sjælden tilstand kendt som CLIFAHDD-syndrom, forårsaget af mutationer i lignende ionkanaler. De nye resultater kunne også informere udviklingen 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 spiller modelorganismer som C. Elegans en vigtig rolle i at låse op for kompleksiteten af vores biologiske systemer," sagde Anne-Claude Gingras, direktør for Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute og vicepræsident ved forskning ved Sinai Health. "Denne forskning er et godt eksempel på, hvordan vi kan lære af simple dyr og anvende den viden til at fremme medicin og teknologi."