Sinajaus sveikatos ir Toronto universiteto mokslininkai atskleidė mažos apvaliosios kirmėlės C. elegans nervų sistemos mechanizmą, kuris gali turėti reikšmingų pasekmių gydant žmonių ligas ir tobulinant robotiką.
Tyrimas, kuriam vadovavo Mei Zhen ir kolegos iš Lunenfeld-Tanenbaum tyrimų instituto, buvo paskelbti žurnale. Mokslo pažanga ir atskleidžia lemiamą specifinio neurono, vadinamo AVA, vaidmenį kontroliuojant kirmino gebėjimą judėti pirmyn ir atgal.
Šliaužti link maisto šaltinių ir greitas atsitraukimas nuo pavojaus yra kirminų gyvybės ir mirties klausimas. Toks elgesys, kai du veiksmai yra vienas kitą paneigiantys, būdingi daugeliui gyvūnų, įskaitant žmones – pavyzdžiui, negalime sėdėti ir bėgti vienu metu.
Mokslininkai ilgą laiką manė, kad kirminų judesių kontrolė atsirado dėl tiesioginių abipusių veiksmų tarp dviejų neuronų: AVA ir AVB. Buvo manoma, kad pirmasis skatina judėjimą atgal, o AVB palengvino judėjimą į priekį, o kiekvienas neuronas slopina kitą, kad galėtų valdyti judėjimo kryptį.
Tačiau nauji Zhen komandos duomenys meta iššūkį šiai idėjai, atskleidžiant sudėtingesnę sąveiką, kai AVA neuronas atlieka dvigubą vaidmenį. Jis ne tik akimirksniu sustabdo judėjimą į priekį, slopindamas AVB, bet ir palaiko ilgesnį AVB stimuliavimą, kad būtų užtikrintas sklandus perėjimas atgal prie judėjimo į priekį.
Atradimas pabrėžia AVA neurono gebėjimą tiksliai valdyti judėjimą skirtingais mechanizmais, priklausomai nuo skirtingų signalų ir skirtingomis laiko skalėmis.
„Kalbant apie inžineriją, tai yra labai ekonomiškas dizainas”, – sakė Zhenas, kuris taip pat yra molekulinės genetikos profesorius T's Temerty medicinos fakultete. „Stiprus ir tvirtas atgalinės grandinės slopinimas leidžia gyvūnams reaguoti į blogą aplinką ir pabėgti. Tuo pačiu metu valdiklio neuronas toliau tiekia dujas į priekinę grandinę, kad sukurtų judėjimą saugesnių vietų link.”
Jun Meng, buvęs mokslų daktaras. Tyrimui vadovavęs Zhen laboratorijos studentas teigė, kad norint suprasti, kaip gyvūnai pereina iš vienos priešingos motorinės būsenos, labai svarbu suprasti, kaip gyvūnai juda, taip pat tiriant neurologinius sutrikimus, ir kad kirminai suteikia unikalų langą į pagrindinius nervinius laidus savo paprastoje viduje. , permatomus korpusus.
Atradimas, kad AVA neuronas vaidina tokį dominuojantį vaidmenį, suteikia naują didelę įžvalgą apie neuroninę grandinę, kurią mokslininkai tyrė nuo šiuolaikinės genetikos atsiradimo daugiau nei prieš pusę amžiaus. „Zhen“ laboratorija sėkmingai panaudojo pažangiausias technologijas, kad tiksliai moduliuotų atskirų neuronų veiklą ir registruotų judančių gyvų kirminų duomenis.
Zhenas, kuris taip pat yra T Menų ir mokslo fakulteto ląstelių ir sistemų biologijos profesorius, pabrėžia tarpdisciplininio bendradarbiavimo svarbą atliekant šį tyrimą. Mengas atliko pagrindinius eksperimentus, o neuronų elektrinius įrašus atliko mokslų daktaras Bin Yu. studentas Shangbang Gao laboratorijoje Huazhongo mokslo ir technologijų universitete Kinijoje.
Tosifas Ahamedas, buvęs Zhen laboratorijos doktorantūros tyrėjas, o dabar JAV HHMI Janelia tyrimų miestelio teorijos bendradarbis, vadovavo matematinio modeliavimo pastangoms, kurios buvo labai svarbios norint patikrinti hipotezes ir įgyti naujų įžvalgų.
Išvadose pateikiamas supaprastintas modelis, skirtas ištirti, kaip neuronai gali valdyti įvairius judesio valdymo vaidmenis – koncepciją, kuri gali apimti žmogaus neurologines sąlygas.
Pavyzdžiui, dvigubas AVA vaidmuo priklauso nuo jos elektrinio potencialo, kurį reguliuoja jonų kanalai ant jo paviršiaus. Zhen jau tiria, kaip panašūs mechanizmai gali būti susiję su reta liga, vadinama CLIFAHDD sindromu, kurią sukelia panašių jonų kanalų mutacijos. Be to, naujos išvados galėtų padėti kurti labiau prisitaikančias ir efektyvesnes robotų sistemas, galinčias atlikti sudėtingus judesius.
„Nuo šiuolaikinio mokslo atsiradimo iki šių dienų tyrimų priešakyje modelių organizmai, tokie kaip C. elegans, padėjo nulupti mūsų biologinių sistemų sudėtingumo sluoksnius“, – sakė Anne-Claude Gingras, Lunenfeld-Tanenbaum tyrimų instituto direktorė. , Sinai Health tyrimų viceprezidentas ir T Temerity medicinos fakulteto molekulinės genetikos profesorius.
„Šis tyrimas yra puikus pavyzdys, kiek daug galime išmokti iš paprastų gyvūnų, kad vėliau galvotume apie šių naujų žinių pritaikymą tobulinant mediciną ir technologijas.