Die Entdeckung eines Masterneurons, das die Bewegung in Würmern steuert, hat Auswirkungen auf menschliche Krankheiten

Forscher von Sinai Health und der University of Toronto haben einen Mechanismus im Nervensystem des winzigen Spulwurms C. elegans entdeckt, der erhebliche Auswirkungen auf die Behandlung menschlicher Krankheiten und die Weiterentwicklung der Robotik haben könnte.

Die von Mei Zhen und Kollegen am Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute geleitete Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte und enthüllt die entscheidende Rolle eines bestimmten Neurons namens AVA bei der Steuerung der Fähigkeit des Wurms, zwischen Vorwärts- und Rückwärtsbewegung zu wechseln.

Für die Würmer ist das Kriechen zu Nahrungsquellen und die schnelle Flucht vor der Gefahr eine Frage von Leben und Tod. Diese Art von Verhalten, bei dem sich zwei Handlungen gegenseitig ausschließen, ist bei vielen Tieren, einschließlich Menschen, üblich – wir können beispielsweise nicht gleichzeitig sitzen und rennen.

Wissenschaftler glaubten lange, dass die Bewegungskontrolle bei Würmern auf der direkten Wechselwirkung zwischen zwei Neuronen beruht: AVA und AVB. Es wurde angenommen, dass Ersteres die Rückwärtsbewegung fördert, während AVB die Vorwärtsbewegung erleichtert, wobei jedes Neuron das andere daran hindert, die Bewegungsrichtung zu steuern.

Die neuen Daten von Zhens Team stellen diese Annahme jedoch in Frage und enthüllen eine komplexere Interaktion, bei der das AVA-Neuron eine Doppelrolle spielt. Es stoppt nicht nur sofort die Vorwärtsbewegung durch die Hemmung des AVB, sondern sorgt auch für eine längerfristige Stimulation des AVB, um einen reibungslosen Übergang zurück zur Vorwärtsbewegung zu gewährleisten.

Die Entdeckung unterstreicht die Fähigkeit des AVA-Neurons, Bewegungen durch unterschiedliche Mechanismen in Abhängigkeit von unterschiedlichen Signalen und über unterschiedliche Zeitskalen hinweg genau zu steuern.

„Aus technischer Sicht ist dies ein sehr wirtschaftliches Design“, sagte Zhen, der auch Professor für Molekulargenetik an der Temerty-Fakultät für Medizin der U of T. ist. „Die starke, robuste Hemmung des Rückwärtskreislaufs ermöglicht es den Tieren, auf schlechte Umgebungen zu reagieren und zu fliehen. Gleichzeitig gibt das Controller-Neuron weiterhin konstitutives Gas in den Vorwärtskreislauf ein, um eine Bewegung zu sichereren Orten zu erzeugen.“

Jun Meng, ein ehemaliger Ph.D. Der Student im Zhen-Labor, der die Forschung leitete, sagte, dass das Verständnis, wie Tiere zwischen solchen gegensätzlichen motorischen Zuständen wechseln, von entscheidender Bedeutung für Erkenntnisse darüber ist, wie sich Tiere bewegen, sowie für die Erforschung neurologischer Störungen – und dass die Würmer einen einzigartigen Einblick in die grundlegende neuronale Verkabelung in ihrem Inneren bieten , durchsichtige Körper.

Die Entdeckung, dass das AVA-Neuron eine so dominante Rolle spielt, bietet einen wichtigen neuen Einblick in den neuronalen Schaltkreis, den Wissenschaftler seit den Anfängen der modernen Genetik vor über einem halben Jahrhundert untersucht haben. Das Zhen-Labor setzte modernste Technologie erfolgreich ein, um die Aktivität einzelner Neuronen präzise zu modulieren und Daten von lebenden Würmern in Bewegung aufzuzeichnen.

Zhen, der auch Professor für Zell- und Systembiologie an der Fakultät für Künste und Wissenschaften der U of T. ist, betont die Bedeutung der interdisziplinären Zusammenarbeit bei dieser Forschung. Meng führte Schlüsselexperimente durch, während die neuronalen elektrischen Aufzeichnungen von Bin Yu, einem Doktoranden, durchgeführt wurden. Student im Labor von Shangbang Gao an der Huazhong University of Science and Technology in China.

Tosif Ahamed, ein ehemaliger Postdoktorand im Zhen-Labor und jetzt Theory Fellow am HHMI Janelia Research Campus in den Vereinigten Staaten, leitete mathematische Modellierungsbemühungen, die für die Prüfung von Hypothesen und die Gewinnung neuer Erkenntnisse von entscheidender Bedeutung waren.

Die Ergebnisse liefern ein vereinfachtes Modell zur Untersuchung, wie Neuronen mehrere Rollen bei der Bewegungssteuerung übernehmen können – ein Konzept, das sich auf neurologische Erkrankungen des Menschen übertragen lässt.

Die Doppelfunktion von AVA hängt beispielsweise von seinem elektrischen Potenzial ab, das durch Ionenkanäle auf seiner Oberfläche reguliert wird. Zhen erforscht bereits, wie ähnliche Mechanismen bei einer seltenen Erkrankung namens CLIFAHDD-Syndrom beteiligt sein könnten, die durch Mutationen in ähnlichen Ionenkanälen verursacht wird. Darüber hinaus könnten die neuen Erkenntnisse die Entwicklung anpassungsfähigerer und effizienterer Robotersysteme beeinflussen, die komplexe Bewegungen ausführen können.

„Von den Anfängen der modernen Wissenschaft bis hin zur Spitze der heutigen Forschung haben Modellorganismen wie C. elegans maßgeblich dazu beigetragen, die Komplexitätsschichten unserer biologischen Systeme aufzudecken“, sagte Anne-Claude Gingras, Direktorin des Lunenfeld-Tanenbaum-Forschungsinstituts , Vizepräsident für Forschung bei Sinai Health und Professor für Molekulargenetik an der Temerity Faculty of Medicine der U of T.

„Diese Forschung ist ein großartiges Beispiel dafür, wie viel wir von einfachen Tieren lernen können, um dann darüber nachzudenken, dieses neue Wissen auf die Weiterentwicklung von Medizin und Technologie anzuwenden.“