Открит е основен неврон, контролиращ движението при червеите, което е важно за лечението на хора

Изследователи от Sinai Health и Университета в Торонто са открили механизъм в нервната система на малкия кръгъл червей C. elegans, който би могъл да има значителни последици за лечението на човешки заболявания и развитието на роботиката.

Проучването, ръководено от Мей Жен и колеги от Изследователския институт Луненфелд-Таненбаум, е публикувано в списанието Science Advances и разкрива ключовата роля на специфичен неврон, наречен AVA, в контролирането на способността на червея да превключва между движение напред и назад.

За червеите е от съществено значение да пълзят към източниците на храна и да се оттеглят бързо от опасността. Това поведение, при което двете действия са взаимно изключващи се, е типично за много животни, включително хората, които не могат да седят и да тичат едновременно.

Учените отдавна вярват, че контролът на движението при червеите се осъществява чрез простото взаимодействие на два неврона: AVA и AVB. Смятало се е, че първият насърчава движението назад, а вторият - движението напред, като всеки от тях инхибира другия, за да контролира посоката на движение.

Нови данни от екипа на Жен обаче оспорват това схващане, разкривайки по-сложно взаимодействие, в което AVA невронът играе двойна роля. Той не само незабавно спира движението напред, като потиска AVB, но и поддържа дългосрочна стимулация на AVB, за да осигури плавен преход обратно към движение напред.

Това откритие подчертава способността на AVA неврона да контролира фино движението чрез различни механизми в зависимост от различни сигнали и в различни времеви мащаби.

„От инженерна гледна точка, това е много икономичен дизайн“, казва Женг, професор по молекулярна генетика в Медицинския факултет „Темерти“ към Университета в Торонто. „Силното, продължително инхибиране на обратната връзка позволява на животното да реагира на неблагоприятни условия и да избяга. В същото време контролният неврон продължава да изпомпва постоянен газ в обратната връзка, за да се придвижи до безопасни места.“

Джун Менг, бивш докторант в лабораторията на Джън, който ръководеше изследването, каза, че разбирането как животните преминават между такива противоположни двигателни състояния е ключово за разбирането на това как се движат животните, както и за изследване на неврологични разстройства.

Откритието на доминиращата роля на AVA неврона предлага нови прозрения за невронните вериги, които учените изучават от появата на съвременната генетика преди повече от половин век. Лабораторията на Джън успешно използва авангардни технологии, за да модулира прецизно активността на отделните неврони и да записва данни от живи червеи в движение.

Жен, който е и професор по клетъчна и системна биология във Факултета по изкуства и науки на Университета в Торонто, подчертава значението на интердисциплинарното сътрудничество в това проучване. Менг е провел ключовите експерименти, а електрическите записи от невроните са извършени от Бин Ю, докторант в лабораторията на Шанбан Гао в Университета за наука и технологии Хуаджун в Китай.

Тосиф Ахмед, бивш постдокторант в лабораторията на Женг, а сега теоретичен сътрудник в изследователския кампус „Джанелия“ на HHMI в САЩ, ръководеше математическото моделиране, което беше важно за тестване на хипотези и получаване на нови прозрения.

AVA и AVB имат различни диапазони и динамика на мембранния потенциал. Източник: Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk0002

Резултатите от изследването предоставят опростен модел за изучаване на това как невроните могат да управляват множество роли в контрола на движението - концепция, която може да се приложи и към човешки неврологични състояния.

Например, двойната роля на AVA зависи от електрическия му потенциал, който се регулира от йонни канали на повърхността му. Женг вече изследва как подобни механизми могат да бъдат включени в рядко състояние, известно като синдром на CLIFAHDD, причинено от мутации в подобни йонни канали. Новите открития биха могли също да информират за проектирането на по-адаптивни и ефикасни роботизирани системи, способни да извършват сложни движения.

„От зараждането на съвременната наука до най-съвременните изследвания днес, моделни организми като C. elegans са играли важна роля в разкриването на сложността на нашите биологични системи“, каза Ан-Клод Гинграс, директор на Изследователския институт Луненфелд-Таненбаум и вицепрезидент по изследванията в Sinai Health. „Това проучване е чудесен пример за това как можем да се учим от прости животни и да прилагаме тези знания за развитие на медицината и технологиите.“