נוירון מאסטר השולט בתנועה בתולעים שהתגלו, חשוב לטיפול בבני אדם

חוקרים מסיני בריאות ומאוניברסיטת טורונטו גילו מנגנון במערכת העצבים של התולעת העגולה הקטנה C. Elegans שיכול להיות בעל השלכות משמעותיות על הטיפול במחלות אנושיות ופיתוח הרובוטיקה.

המחקר, בראשות מיי ז'ן ועמיתיה במכון המחקר לוננפלד-טננבאום, פורסם בScience Advances וחושף את תפקיד המפתח של נוירון ספציפי הנקרא AVA בשליטה ביכולת של התולעת לעבור בין תנועה קדימה ואחורה.

חשוב ביותר לתולעים לזחול לעבר מקורות מזון ולסגת במהירות מסכנה. התנהגות זו, כאשר שתי פעולות סותרות זו את זו, אופיינית לבעלי חיים רבים, כולל בני אדם, שאינם יכולים לשבת ולרוץ בו-זמנית.

מדענים האמינו זמן רב ששליטה בתנועה בתולעים מתבצעת באמצעות פעולות הדדיות פשוטות של שני נוירונים: AVA ו-AVB. הראשון נחשב כמקדם תנועה לאחור והשני לתנועה קדימה, כל אחד מדכא את השני כדי לשלוט בכיוון התנועה.

עם זאת, נתונים חדשים מהצוות של Zhen מאתגרים את הרעיון הזה, וחושפים אינטראקציה מורכבת יותר שבה נוירון AVA ממלא תפקיד כפול. לא רק שהוא מפסיק מיד את התנועה קדימה על ידי דיכוי ה-AVB, אלא הוא גם שומר על גירוי AVB לטווח ארוך כדי להבטיח מעבר חלק אחורה לתנועה קדימה.

ממצא זה מדגיש את היכולת של נוירון ה-AVA לשלוט עדין בתנועה באמצעות מנגנונים שונים בהתאם לאותות שונים ובקשקשים שונים של זמן.

"מנקודת מבט הנדסית, זהו תכנון מאוד חסכוני", אומר ג'ן, פרופסור לגנטיקה מולקולרית בפקולטה לרפואה של טמרטי באוניברסיטת טורונטו. "דיכוי חזק ומתמשך של מעגל המשוב מאפשר לבעלי חיים להגיב לתנאים לא נוחים ולברוח. במקביל, נוירון הבקרה ממשיך לספק גז קבוע למעגל הקדמי כדי לעבור למקומות בטוחים."

ג'ון מנג, דוקטורנט לשעבר במעבדתו של ג'ן שהוביל את המחקר, אמר כי ההבנה כיצד בעלי חיים עוברים בין מצבים מוטוריים מנוגדים שכאלה היא המפתח להבנת האופן שבו בעלי חיים נעים, כמו גם למחקר על הפרעות נוירולוגיות. p>

גילוי התפקיד הדומיננטי של הנוירון AVA מציע תובנה חדשה לגבי מעגלים עצביים שמדענים חוקרים מאז הופעת הגנטיקה המודרנית לפני יותר מחצי מאה. המעבדה של Zhen השתמשה בהצלחה בטכנולוגיה מתקדמת כדי לווסת במדויק את הפעילות של נוירונים בודדים ולתעד נתונים מתולעים חיות בתנועה.

ג'ן, גם פרופסור לביולוגיה של תאים ומערכות בפקולטה לאמנויות ומדעים באוניברסיטת טורונטו, מדגיש את החשיבות של שיתוף פעולה בין-תחומי במחקר זה. מנג ערכה את הניסויים המרכזיים, וההקלטות החשמליות של הנוירונים בוצעו על ידי בינג יו, Ph.D., סטודנט במעבדה של שאנבן גאו באוניברסיטת Huazhong למדע וטכנולוגיה בסין.

טוסיף אחמד, פוסט-דוקטורט לשעבר במעבדתו של ג'ן וכיום עמית תיאורטי בקמפוס המחקר HHMI Janelia בארצות הברית, הוביל את המודלים המתמטיים שהיה חשוב לבדיקת השערות ויצירת ידע חדש.

AVA ו-AVB הם בעלי טווחי פוטנציאל ודינמיקה שונים של הממברנה. מקור: Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk0002

תוצאות המחקר מספקות מודל פשוט לחקר האופן שבו נוירונים יכולים לתזמר תפקידים מרובים בשליטה בתנועה, מושג שניתן ליישם במצבים נוירולוגיים אנושיים.

לדוגמה, התפקיד הכפול של AVA תלוי בפוטנציאל החשמלי שלה, המווסת על ידי תעלות יונים על פני השטח שלה. Zhen כבר חוקר כיצד מנגנונים דומים עשויים להיות מעורבים במצב נדיר המכונה תסמונת CLIFAHDD, הנגרמת על ידי מוטציות בתעלות יונים דומות. הממצאים החדשים יכולים גם לספק מידע לפיתוח מערכות רובוטיות אדפטיביות ויעילות יותר המסוגלות לבצע תנועות מורכבות.

"מהמקורות של המדע המודרני ועד למחקר חדשני כיום, מודלים של אורגניזמים כמו C. Elegans ממלאים תפקיד חשוב בפתיחת המורכבות של המערכות הביולוגיות שלנו", אמרה אן-קלוד גינגראס, מנהלת מכון המחקר לוננפלד-טננבאום. וסגן נשיא במחקר בבריאות סיני. "המחקר הזה הוא דוגמה מצוינת לאופן שבו אנחנו יכולים ללמוד מבעלי חיים פשוטים וליישם את הידע הזה כדי לקדם את הרפואה והטכנולוגיה."