Objavený hlavný neurón riadiaci pohyb u červov, dôležitý pre liečbu ľudí

Výskumníci zo Sinai Health a University of Toronto objavili mechanizmus v nervovom systéme drobného hlístu C. elegans, ktorý by mohol mať významný vplyv na liečbu ľudských chorôb a vývoj robotiky.

Štúdia, ktorú viedla Mei Zhen a jej kolegovia z Výskumného ústavu Lunenfeld-Tanenbaum, je publikovaná v časopise Science Advances a odhaľuje kľúčovú úlohu špecifického neurónu nazývaného AVA pri riadení schopnosti červa prepínať medzi pohybom dopredu a dozadu.

Pre červy je nevyhnutné plaziť sa k zdrojom potravy a rýchlo sa sťahovať pred nebezpečenstvom. Toto správanie, kde sa tieto dve činnosti vzájomne vylučujú, je typické pre mnohé zvieratá vrátane ľudí, ktoré nedokážu sedieť a behať súčasne.

Vedci už dlho veria, že riadenie pohybu červov sa dosahuje jednoduchou interakciou dvoch neurónov: AVA a AVB. Predpokladalo sa, že prvý z nich podporuje pohyb dozadu, druhý pohyb dopredu, pričom každý z nich inhibuje ten druhý a riadi smer pohybu.

Nové údaje od Zhenovho tímu však tento názor spochybňujú a odhaľujú zložitejšiu interakciu, v ktorej neurón AVA zohráva dvojakú úlohu. Nielenže okamžite zastaví pohyb vpred potlačením AVB, ale tiež udržiava dlhodobú stimuláciu AVB, aby zabezpečil plynulý prechod späť k pohybu vpred.

Tento objav zdôrazňuje schopnosť neurónu AVA jemne riadiť pohyb prostredníctvom rôznych mechanizmov v závislosti od rôznych signálov a v rôznych časových intervaloch.

„Z inžinierskeho hľadiska je to veľmi ekonomický návrh,“ hovorí Zheng, profesor molekulárnej genetiky na Lekárskej fakulte Temerty na Univerzite v Toronte. „Silná a trvalá inhibícia spätnoväzobnej slučky umožňuje zvieraťu reagovať na nepriaznivé podmienky a uniknúť. Zároveň riadiaci neurón neustále pumpuje plyn do doprednej slučky, aby sa presunul na bezpečné miesta.“

Jun Meng, bývalý doktorand v Zhengovom laboratóriu, ktorý viedol štúdiu, povedal, že pochopenie toho, ako zvieratá prechádzajú medzi takýmito protichodnými motorickými stavmi, je kľúčové pre pochopenie toho, ako sa zvieratá pohybujú, ako aj pre výskum neurologických porúch.

Objav dominantnej úlohy neurónu AVA ponúka nové poznatky o nervových obvodoch, ktoré vedci študujú od nástupu modernej genetiky pred viac ako polstoročím. Zhengovo laboratórium úspešne využilo najmodernejšie technológie na presnú moduláciu aktivity jednotlivých neurónov a zaznamenávanie údajov zo živých červov v pohybe.

Zhen, tiež profesor bunkovej a systémovej biológie na Fakulte umení a vied Univerzity v Toronte, zdôrazňuje dôležitosť interdisciplinárnej spolupráce v tejto štúdii. Meng vykonal kľúčové experimenty a elektrické záznamy z neurónov vykonal Bin Yu, doktorand v laboratóriu Shangbang Gao na Huazhong University of Science and Technology v Číne.

Tosif Ahmed, bývalý postdoktorandský pracovník v Zhengovom laboratóriu a teraz teoretický pracovník na výskumnom kampuse Janelia v HHMI v USA, viedol matematické modelovanie, ktoré bolo dôležité pre testovanie hypotéz a získavanie nových poznatkov.

AVA a AVB majú odlišné rozsahy membránového potenciálu a dynamiku. Zdroj: Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk0002

Zistenia štúdie poskytujú zjednodušený model na štúdium toho, ako neuróny dokážu riadiť viacero úloh v riadení pohybu – koncept, ktorý by sa dal aplikovať aj na ľudské neurologické stavy.

Napríklad dvojitá úloha AVA závisí od jej elektrického potenciálu, ktorý je regulovaný iónovými kanálmi na jej povrchu. Zheng už skúma, ako by podobné mechanizmy mohli byť zapojené do zriedkavého stavu známeho ako syndróm CLIFAHDD, ktorý je spôsobený mutáciami v podobných iónových kanáloch. Nové zistenia by tiež mohli viesť k návrhu adaptívnejších a efektívnejších robotických systémov schopných vykonávať zložité pohyby.

„Od počiatkov modernej vedy až po dnešný špičkový výskum zohrali modelové organizmy ako C. elegans dôležitú úlohu pri odhaľovaní zložitosti našich biologických systémov,“ povedala Anne-Claude Gingras, riaditeľka Výskumného ústavu Lunenfeld-Tanenbaum a viceprezidentka pre výskum v spoločnosti Sinai Health. „Táto štúdia je skvelým príkladom toho, ako sa môžeme učiť od jednoduchých zvierat a aplikovať tieto poznatky na pokrok v medicíne a technológiách.“