Обнаружен главный нейрон, контролирующий движение у червей, важный для лечения людей

Исследователи из Sinai Health и Университета Торонто обнаружили механизм в нервной системе маленького круглого червя C. elegans, который может иметь значительные последствия для лечения человеческих болезней и развития робототехники.

Исследование, проведенное под руководством Мей Чжень и её коллег из Исследовательского института Луненфельд-Таненбаум, опубликовано в журнале Science Advances и раскрывает ключевую роль определенного нейрона, называемого AVA, в контроле способности червя переключаться между движением вперед и назад.

Для червей крайне важно ползти к источникам пищи и быстро отступать от опасности. Такое поведение, когда два действия взаимоисключают друг друга, типично для многих животных, включая людей, которые не могут одновременно сидеть и бежать.

Ученые давно полагали, что контроль движений у червей осуществляется за счет простых взаимных действий двух нейронов: AVA и AVB. Считалось, что первый способствует движению назад, а второй – движению вперед, причем каждый из них подавляет другой для контроля направления движения.

Однако новые данные от команды Чжень бросают вызов этому представлению, обнаруживая более сложное взаимодействие, где нейрон AVA играет двойную роль. Он не только мгновенно останавливает движение вперед, подавляя AVB, но и поддерживает долгосрочную стимуляцию AVB для обеспечения плавного перехода обратно к движению вперед.

Это открытие подчеркивает способность нейрона AVA тонко контролировать движение через различные механизмы в зависимости от различных сигналов и на разных временных масштабах.

"С инженерной точки зрения, это очень экономичный дизайн", — говорит Чжень, профессор молекулярной генетики на факультете медицины Темерти Университета Торонто. "Сильное и устойчивое подавление обратной цепи позволяет животным реагировать на неблагоприятные условия и убегать. В то же время, контролирующий нейрон продолжает подавать постоянный газ в цепь движения вперед для перемещения к безопасным местам."

Цзюнь Мэн, бывший докторант в лаборатории Чжень, возглавивший исследование, заявил, что понимание того, как животные переходят между такими противоположными моторными состояниями, имеет ключевое значение для понимания того, как животные движутся, а также для исследований неврологических расстройств.

Открытие доминирующей роли нейрона AVA предлагает новое понимание нейронной схемы, которую ученые изучали с момента появления современной генетики более полувека назад. Лаборатория Чжень успешно использовала передовые технологии для точного модулирования активности отдельных нейронов и записи данных от живых червей в движении.

Чжень, также профессор клеточной и системной биологии на факультете искусств и наук Университета Торонто, подчеркивает важность междисциплинарного сотрудничества в этом исследовании. Мэн провел ключевые эксперименты, а электрические записи нейронов были выполнены доктором философии Бин Ю, студентом лаборатории Шанбан Гао в Университете науки и технологий Хуачжун в Китае.

Тосиф Ахмед, бывший постдокторант в лаборатории Чжень, ныне теоретический стипендиат в исследовательском кампусе HHMI Janelia в США, возглавил математическое моделирование, которое было важно для проверки гипотез и получения новых знаний.

AVA и AVB имеют разные диапазоны и динамику мембранного потенциала. Источник: Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk0002

Результаты исследования предоставляют упрощенную модель для изучения того, как нейроны могут управлять несколькими ролями в контроле движения – концепция, которая может быть применена и к человеческим неврологическим состояниям.

Например, двойная роль AVA зависит от его электрического потенциала, который регулируется ионными каналами на его поверхности. Чжень уже исследует, как аналогичные механизмы могут быть вовлечены в редкое состояние, известное как синдром CLIFAHDD, вызванное мутациями в аналогичных ионных каналах. Новые результаты также могут информировать о разработке более адаптивных и эффективных робототехнических систем, способных выполнять сложные движения.

"От происхождения современной науки до передовых исследований сегодня, модельные организмы, такие как C. elegans, играют важную роль в раскрытии сложности наших биологических систем", — сказала Анн-Клод Жинграс, директор Исследовательского института Луненфельд-Таненбаум и вице-президент по исследованиям в Sinai Health. "Это исследование является отличным примером того, как мы можем учиться у простых животных и применять эти знания для продвижения медицины и технологий."