Neuron utama mengawal pergerakan dalam cacing ditemui, penting untuk rawatan manusia

Penyelidik dari Sinai Health dan University of Toronto telah menemui satu mekanisme dalam sistem saraf cacing bulat kecil C. elegans yang boleh mempunyai implikasi yang ketara untuk rawatan penyakit manusia dan pembangunan robotik.

Kajian yang diketuai oleh Mei Zhen dan rakan sekerja di Institut Penyelidikan Lunenfeld-Tanenbaum, diterbitkan dalam jurnal Science Advances dan mendedahkan peranan utama neuron tertentu yang dipanggil AVA dalam mengawal keupayaan cacing untuk bertukar antara pergerakan ke hadapan dan ke belakang.

Adalah penting untuk cacing merangkak ke arah sumber makanan dan berundur dengan cepat daripada bahaya. Tingkah laku ini, di mana kedua-dua tindakan itu saling eksklusif, adalah tipikal bagi kebanyakan haiwan, termasuk manusia, yang tidak boleh duduk dan berlari pada masa yang sama.

Para saintis telah lama percaya bahawa kawalan pergerakan dalam cacing dicapai melalui interaksi mudah dua neuron: AVA dan AVB. Yang pertama dianggap menggalakkan pergerakan ke belakang, pergerakan ke hadapan yang kedua, dengan masing-masing menghalang yang lain untuk mengawal arah pergerakan.

Walau bagaimanapun, data baharu daripada pasukan Zhen mencabar pandangan ini, mendedahkan interaksi yang lebih kompleks di mana neuron AVA memainkan peranan dwi. Ia bukan sahaja menghentikan pergerakan ke hadapan dengan serta-merta dengan menekan AVB, tetapi ia juga mengekalkan rangsangan jangka panjang AVB untuk memastikan peralihan yang lancar kembali ke pergerakan ke hadapan.

Penemuan ini menyerlahkan keupayaan neuron AVA untuk mengawal pergerakan secara halus melalui mekanisme yang berbeza bergantung pada isyarat yang berbeza dan pada skala masa yang berbeza.

"Dari perspektif kejuruteraan, ini adalah reka bentuk yang sangat menjimatkan, " kata Zheng, seorang profesor genetik molekul di Sekolah Perubatan Temerty University of Toronto. "Rencatan yang kuat dan berterusan bagi gelung maklum balas membolehkan haiwan itu bertindak balas terhadap keadaan buruk dan melarikan diri. Pada masa yang sama, neuron kawalan terus mengepam gas berterusan ke dalam gelung hadapan untuk bergerak ke lokasi yang selamat."

Jun Meng, bekas pelajar kedoktoran di makmal Zheng yang mengetuai kajian itu, berkata memahami bagaimana haiwan beralih antara keadaan motor yang bertentangan adalah kunci untuk memahami bagaimana haiwan bergerak, serta untuk penyelidikan ke dalam gangguan neurologi.

Penemuan peranan dominan neuron AVA menawarkan pandangan baharu tentang litar saraf yang telah dikaji oleh saintis sejak kemunculan genetik moden lebih setengah abad yang lalu. Makmal Zheng berjaya menggunakan teknologi canggih untuk memodulasi dengan tepat aktiviti neuron individu dan merekod data daripada cacing hidup yang sedang bergerak.

Zhen, juga seorang profesor biologi sel dan sistem di Fakulti Sastera dan Sains Universiti Toronto, menekankan kepentingan kerjasama antara disiplin dalam kajian ini. Meng menjalankan eksperimen utama, dan rakaman elektrik daripada neuron telah dilakukan oleh Bin Yu, pelajar PhD di makmal Shangbang Gao di Universiti Sains dan Teknologi Huazhong di China.

Tosif Ahmed, bekas felo pasca doktoral di makmal Zheng dan kini Felo Teori di Kampus Penyelidikan Janelia HHMI di AS, mengetuai pemodelan matematik yang penting untuk menguji hipotesis dan mendapatkan pandangan baharu.

AVA dan AVB mempunyai julat potensi membran yang berbeza dan dinamik. Sumber: Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk0002

Penemuan kajian menyediakan model ringkas untuk mengkaji bagaimana neuron boleh menguruskan pelbagai peranan dalam kawalan pergerakan - konsep yang juga boleh digunakan untuk keadaan neurologi manusia.

Sebagai contoh, peranan dwi AVA bergantung pada potensi elektriknya, yang dikawal oleh saluran ion pada permukaannya. Zheng sedang menyiasat bagaimana mekanisme serupa mungkin terlibat dalam keadaan jarang yang dikenali sebagai sindrom CLIFAHDD, disebabkan oleh mutasi dalam saluran ion yang serupa. Penemuan baharu ini juga boleh memaklumkan reka bentuk sistem robotik yang lebih adaptif dan cekap yang mampu melakukan pergerakan yang kompleks.

"Daripada asal usul sains moden kepada penyelidikan canggih hari ini, organisma model seperti C. elegans telah memainkan peranan penting dalam mendedahkan kerumitan sistem biologi kita," kata Anne-Claude Gingras, pengarah Institut Penyelidikan Lunenfeld-Tanenbaum dan naib presiden penyelidikan di Sinai Health. "Kajian ini adalah contoh yang bagus tentang bagaimana kita boleh belajar daripada haiwan mudah dan menggunakan pengetahuan itu untuk memajukan perubatan dan teknologi."