נוירון עיקרי השולט בתנועה בתולעים התגלה, חשוב לטיפול בבני אדם

חוקרים מסיני הלת' ומאוניברסיטת טורונטו גילו מנגנון במערכת העצבים של התולעת העגולה הזעירה C. elegans, שיכול להיות לו השלכות משמעותיות על הטיפול במחלות אנושיות ועל פיתוח רובוטיקה.

המחקר, בראשות מיי ז'ן ועמיתיו במכון המחקר לוננפלד-טננבאום, מתפרסם בכתב העת Science Advances וחושף את תפקידו המרכזי של נוירון ספציפי בשם AVA בשליטה על יכולתה של התולעת לעבור בין תנועה קדימה לאחור.

חיוני שתולעים יזחלו לעבר מקורות מזון ויסתגרו במהירות מסכנה. התנהגות זו, שבה שתי הפעולות סותרות זו את זו, אופיינית לבעלי חיים רבים, כולל בני אדם, שאינם יכולים לשבת ולרוץ בו זמנית.

מדענים האמינו זה מכבר כי בקרת תנועה בתולעים מושגת באמצעות אינטראקציה פשוטה של שני נוירונים: AVA ו-AVB. הראשון נחשב כמקדם תנועה אחורה, והשני תנועה קדימה, כאשר כל אחד מהם מעכב את השני כדי לשלוט בכיוון התנועה.

עם זאת, נתונים חדשים של צוותו של ג'ן מאתגרים תפיסה זו, וחושפים אינטראקציה מורכבת יותר שבה נוירון ה-AVA ממלא תפקיד כפול. הוא לא רק עוצר באופן מיידי תנועה קדימה על ידי דיכוי AVB, אלא גם שומר על גירוי ארוך טווח של AVB כדי להבטיח מעבר חלק חזרה לתנועה קדימה.

תגלית זו מדגישה את יכולתו של נוירון AVA לשלוט בתנועה בצורה מדויקת באמצעות מנגנונים שונים בהתאם לאותות שונים ובסולמות זמן שונים.

"מנקודת מבט הנדסית, זהו עיצוב חסכוני מאוד", אומר ג'נג, פרופסור לגנטיקה מולקולרית בבית הספר לרפואה טמרטי באוניברסיטת טורונטו. "עיכוב חזק ומתמשך של לולאת המשוב מאפשר לבעל החיים להגיב לתנאים קשים ולברוח. במקביל, נוירון הבקרה ממשיך לשאוב גז קבוע לתוך הלולאה הקדמית כדי לנוע למקומות בטוחים."

ג'ון מנג, דוקטורנט לשעבר במעבדה של ג'נג שהוביל את המחקר, אמר כי הבנת האופן שבו בעלי חיים עוברים בין מצבים מוטוריים מנוגדים כאלה היא המפתח להבנת האופן שבו בעלי חיים נעים, כמו גם למחקר על הפרעות נוירולוגיות.

גילוי התפקיד הדומיננטי של נוירון ה-AVA מציע תובנות חדשות לגבי מעגלים עצביים שמדענים חקרו מאז הופעתה של הגנטיקה המודרנית לפני יותר מחצי מאה. מעבדתו של ג'נג השתמשה בהצלחה בטכנולוגיה מתקדמת כדי לווסת במדויק את פעילותם של נוירונים בודדים ולתעד נתונים מתולעים חיות בתנועה.

ג'ן, גם הוא פרופסור לביולוגיה של תאים ומערכות בפקולטה לאמנויות ומדעים באוניברסיטת טורונטו, מדגיש את החשיבות של שיתוף פעולה בין-תחומי במחקר זה. מנג ניהל את הניסויים המרכזיים, והקלטות חשמליות מנוירונים בוצעו על ידי בין יו, סטודנט לתואר שלישי במעבדה של שאנגבאנג גאו באוניברסיטת הואז'ונג למדע וטכנולוגיה בסין.

טוסיף אחמד, עמית פוסט-דוקטורט לשעבר במעבדה של ג'נג וכיום עמית תיאוריה בקמפוס המחקר ג'נליה של HHMI בארה"ב, הוביל את המידול המתמטי שהיה חשוב לבדיקת השערות ולהשגת תובנות חדשות.

ל-AVA ול-AVB טווחי ודינמיקה שונים של פוטנציאל ממברנה. מקור: Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk0002

ממצאי המחקר מספקים מודל פשוט לחקר האופן שבו נוירונים יכולים לנהל תפקידים מרובים בבקרת תנועה - מושג שניתן ליישם גם על מצבים נוירולוגיים אנושיים.

לדוגמה, התפקיד הכפול של AVA תלוי בפוטנציאל החשמלי שלו, המווסת על ידי תעלות יונים על פני השטח שלו. ג'נג כבר חוקרת כיצד מנגנונים דומים עשויים להיות מעורבים במצב נדיר המכונה תסמונת CLIFAHDD, הנגרם על ידי מוטציות בתעלות יונים דומות. הממצאים החדשים יכולים גם להשפיע על תכנון מערכות רובוטיות אדפטיביות ויעילות יותר המסוגלות לבצע תנועות מורכבות.

"ממקורות המדע המודרני ועד למחקר חדשני כיום, אורגניזמים מודל כמו C. elegans מילאו תפקיד חשוב בחשיפת המורכבות של המערכות הביולוגיות שלנו", אמרה אן-קלוד גינגראס, מנהלת מכון המחקר לוננפלד-טננבאום וסגנית נשיא למחקר ב-Sinai Health. "מחקר זה הוא דוגמה מצוינת לאופן שבו אנו יכולים ללמוד מבעלי חיים פשוטים וליישם ידע זה כדי לקדם את הרפואה והטכנולוגיה."