Neuron induk yang mengawal pergerakan dalam cacing ditemui, penting untuk merawat manusia

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

Kajian yang diketuai oleh Mei Zhen dan rakan-rakannya di Institut Penyelidikan Lunenfeld-Tanenbaum, diterbitkan dalam Kemajuan Sains dan mendedahkan peranan utama neuron tertentu yang dipanggil AVA dalam mengawal keupayaan cacing untuk bertukar antara bergerak ke hadapan dan ke belakang.

Amat penting bagi cacing untuk merangkak ke arah sumber makanan dan segera berundur daripada bahaya. Tingkah laku ini, apabila dua tindakan saling eksklusif, adalah tipikal 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 tindakan bersama mudah dua neuron: AVA dan AVB. Yang pertama dianggap menggalakkan pergerakan ke belakang dan yang kedua untuk pergerakan ke hadapan, masing-masing menekan satu sama lain untuk mengawal arah pergerakan.

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

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

"Dari sudut pandangan kejuruteraan, ini adalah reka bentuk yang sangat kos efektif," kata Zhen, seorang profesor genetik molekul di Fakulti Perubatan Temerty di Universiti Toronto. "Penindasan litar maklum balas yang kuat dan berterusan membolehkan haiwan bertindak balas terhadap keadaan yang tidak baik dan melarikan diri. Pada masa yang sama, neuron kawalan terus membekalkan gas berterusan ke litar hadapan untuk bergerak ke tempat yang selamat."

Jun Meng, bekas pelajar kedoktoran di makmal Zhen yang mengetuai kajian itu, berkata memahami cara haiwan beralih antara keadaan motor yang bertentangan adalah kunci untuk memahami cara haiwan bergerak, serta menyelidik gangguan neurologi. p>

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 Zhen telah 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 di Universiti Toronto, menekankan kepentingan kerjasama antara disiplin dalam penyelidikan ini. Meng menjalankan eksperimen utama, dan rakaman elektrik neuron dilakukan oleh Bing Yu, Ph.D., seorang pelajar di makmal Shanban Gao di Universiti Sains dan Teknologi Huazhong di China.

Tosif Ahmed, bekas felo pasca doktoral di makmal Zhen dan kini felo teori di Kampus Penyelidikan HHMI Janelia di Amerika Syarikat, mengetuai pemodelan matematik yang penting untuk menguji hipotesis dan menjana pengetahuan baharu.

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

Hasil kajian menyediakan model ringkas untuk mengkaji cara neuron boleh mengatur pelbagai peranan dalam kawalan pergerakan, konsep yang boleh digunakan pada keadaan neurologi manusia.

Sebagai contoh, peranan dwi AVA bergantung pada potensi elektriknya, yang dikawal oleh saluran ion pada permukaannya. Zhen sudah pun 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 pembangunan 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 memainkan peranan penting dalam membuka kunci kerumitan sistem biologi kita," kata Anne-Claude Gingras, pengarah Institut Penyelidikan Lunenfeld-Tanenbaum dan naib presiden melalui penyelidikan di Sinai Health. "Penyelidikan ini ialah contoh yang bagus tentang cara kita boleh belajar daripada haiwan mudah dan menggunakan pengetahuan itu untuk memajukan perubatan dan teknologi."