Descoperirea unui neuron major care controlează mișcarea la viermi, important pentru tratamentul la om

Cercetătorii de la Sinai Health și de la Universitatea din Toronto au descoperit un mecanism în sistemul nervos al micuței vierme rotund C. elegans care ar putea avea implicații semnificative pentru tratamentul bolilor umane și dezvoltarea roboticii.

Studiul, condus de Mei Zhen și colegii săi de la Institutul de Cercetare Lunenfeld-Tanenbaum, este publicat în revista Science Advances și dezvăluie rolul cheie al unui neuron specific numit AVA în controlul capacității viermelui de a comuta între mișcarea înainte și cea înapoi.

Este esențial ca viermii să se târască spre sursele de hrană și să se retragă rapid din pericol. Acest comportament, în care cele două acțiuni se exclud reciproc, este tipic pentru multe animale, inclusiv oameni, care nu pot sta jos și alerga în același timp.

Oamenii de știință au crezut mult timp că controlul mișcării la viermi se realizează prin simpla interacțiune a doi neuroni: AVA și AVB. Se credea că primul promovează mișcarea înapoi, iar cel de-al doilea mișcarea înainte, fiecare inhibând celălalt controlul direcției mișcării.

Totuși, date noi de la echipa lui Zhen contestă această viziune, dezvăluind o interacțiune mai complexă în care neuronul AVA joacă un rol dublu. Nu numai că oprește imediat mișcarea înainte prin suprimarea BAV, dar menține și stimularea pe termen lung a BAV pentru a asigura o tranziție lină înapoi la mișcarea înainte.

Această descoperire evidențiază capacitatea neuronului AVA de a controla fin mișcarea prin diferite mecanisme, în funcție de semnale diferite și pe scale de timp diferite.

„Dintr-o perspectivă inginerească, acesta este un design foarte economic”, spune Zheng, profesor de genetică moleculară la Școala de Medicină Temerty a Universității din Toronto. „Inhibarea puternică și susținută a buclei de feedback permite animalului să răspundă la condiții adverse și să scape. În același timp, neuronul de control continuă să pompeze un gaz constant în bucla directă pentru a se deplasa în locații sigure.”

Jun Meng, fost doctorand în laboratorul lui Zheng, care a condus studiul, a declarat că înțelegerea modului în care animalele trec între astfel de stări motorii opuse este esențială pentru înțelegerea modului în care se mișcă animalele, precum și pentru cercetarea tulburărilor neurologice.

Descoperirea rolului dominant al neuronului AVA oferă noi perspective asupra circuitelor neuronale pe care oamenii de știință le-au studiat de la apariția geneticii moderne, în urmă cu mai bine de o jumătate de secol. Laboratorul lui Zheng a folosit cu succes tehnologie de ultimă generație pentru a modula cu precizie activitatea neuronilor individuali și a înregistra date de la viermi vii în mișcare.

Zhen, profesor de biologie celulară și de sisteme la Facultatea de Arte și Științe a Universității din Toronto, subliniază importanța colaborării interdisciplinare în acest studiu. Meng a realizat experimentele cheie, iar înregistrările electrice de la neuroni au fost efectuate de Bin Yu, doctorand în laboratorul lui Shangbang Gao de la Universitatea de Știință și Tehnologie Huazhong din China.

Tosif Ahmed, fost cercetător postdoctoral în laboratorul lui Zheng și acum cercetător teoretic la campusul de cercetare Janelia al HHMI din SUA, a condus modelarea matematică importantă pentru testarea ipotezelor și obținerea de noi perspective.

AVA și AVB au intervale și dinamici diferite ale potențialului de membrană. Sursa: Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk0002

Rezultatele studiului oferă un model simplificat pentru studierea modului în care neuronii pot gestiona roluri multiple în controlul mișcării - un concept care ar putea fi aplicat și afecțiunilor neurologice umane.

De exemplu, rolul dual al AVA depinde de potențialul său electric, care este reglat de canalele ionice de pe suprafața sa. Zheng investighează deja modul în care mecanisme similare ar putea fi implicate într-o afecțiune rară cunoscută sub numele de sindromul CLIFAHDD, cauzată de mutații în canale ionice similare. Noile descoperiri ar putea, de asemenea, să ofere informații pentru proiectarea unor sisteme robotice mai adaptive și mai eficiente, capabile să efectueze mișcări complexe.

„De la originile științei moderne până la cercetările de vârf din prezent, organismele model precum C. elegans au jucat un rol important în descoperirea complexității sistemelor noastre biologice”, a declarat Anne-Claude Gingras, directoarea Institutului de Cercetare Lunenfeld-Tanenbaum și vicepreședinte pentru cercetare la Sinai Health. „Acest studiu este un exemplu excelent al modului în care putem învăța de la animale simple și putem aplica aceste cunoștințe pentru a avansa medicina și tehnologia.”