Tiny Tweaks til neuroner kan genskabe dyrebevægelser | Quanta Magasinet

I marts 2019, på et tog på vej mod sydvest fra München, neurovidenskabsmanden Maximilian Bothe justerede sit forsigtige greb om køleren i skødet. Den indeholdt ikke hans frokost. Indeni var væv fra et halvt dusin klapperslange-rygmarve pakket i is - en speciel levering til hans nye forskningsrådgiver Boris Chagnaud, en adfærdsneuroforsker baseret på den anden side af Alperne. I sit laboratorium på universitetet i Graz i Østrig opretholder Chagnaud et menageri af vanddyr, der bevæger sig på usædvanlige måder - fra pirajaer og havkat, der tromler luftblærer for at producere lyd til mudderskippere, der hopper rundt på land på to finner. Chagnaud studerer og sammenligner disse skabningers neuronale kredsløb for at forstå, hvordan nye måder at bevæge sig på kan udvikle sig, og Bothe tog sine klapperslangeryg med for at deltage i bestræbelsen.

De måder, som dyr bevæger sig på, er lige så utallige som dyreriget selv. De går, løber, svømmer, kravler, flyver og glider - og inden for hver af disse kategorier ligger et enormt antal subtilt forskellige bevægelsestyper. En måge og en kolibri har begge vinger, men ellers er deres flyveteknikker og evner pæle fra hinanden. Spækhuggere og pirajaer har begge haler, men de udfører meget forskellige typer svømning. Selv et menneske, der går eller løber, bevæger deres krop på fundamentalt forskellige måder.

Tempoet og typen af ​​bevægelser, et givet dyr kan udføre, bestemmes af biologisk hardware: nerver, muskler og knogler, hvis funktioner er bundet af neurologiske begrænsninger. For eksempel er hvirveldyrs gangtempo sat af kredsløb i deres rygsøjler, der affyrer uden nogen bevidst input fra hjernen. Tempoet i den bevægelse er dikteret af egenskaberne af de neuronale kredsløb, der styrer dem.

For at et dyr skal udvikle en ny måde at bevæge sig på, skal noget i dets neurologiske kredsløb ændre sig. Chagnaud ønsker at beskrive præcis, hvordan det sker.

”I evolutionen opfinder man ikke bare hjulet. Du tager stykker, der allerede var der, og du ændrer dem,” sagde han. "Hvordan ændrer du de komponenter, der deles på tværs af mange forskellige arter, for at skabe ny adfærd?"

For nylig fandt hans hold ét svar på dette spørgsmål i deres eksperimenter med Bothes klapperslanger - en organisme, der har to forskellige bevægelsestempo indbygget i en lang, slank krop.

Deres resultater, offentliggjort i Current Biology i januar identificerede, hvordan manipulation med et enkelt protein - en kaliumionkanal - kunne få hurtigfyrende motorneuroner fra en slanges raslende hale til at opføre sig mere som de træge motorneuroner fra dens bølgende krop og omvendt. Fundet er bevis på, at tilsyneladende små ændringer i et dyrs fysiologi kan omsætte den samme kommando fra nervesystemet til forskellige måder at bevæge sig på.

"Det, jeg syntes var særligt unikt og interessant ved denne undersøgelse, er, at de fokuserede på motoriske neuroner med to meget forskellige job, men inden for det samme dyr," sagde neuroforskeren Martha Bagnall fra Washington University i St. Louis, som ikke var involveret i arbejdet. "At se på dem i ét dyr gav dem denne virkelig flotte, stramme sammenligning."

Fundet peger på en måde, hvorpå dyr på tværs af livets træ kan udvikle ny adfærd. Justering af det rigtige stykke biologiske maskineri - i dette tilfælde en specifik ionkanal - kan drastisk ændre ydeevnen, ligesom det at dreje lydstyrkeknappen gør på en højttaler. Evolution kan handle først på kontrollerne i stedet for at omarbejde hele maskinen.

"Det var et meget rent resultat," sagde Paul Katz, en adfærdsneuroforsker ved University of Massachusetts, Amherst, som heller ikke var involveret i arbejdet. "Og du ved, klapperslanger - de er seje."

Indstillingsskruer

Chagnaud er ikke interesseret i klapperslanger i sig selv. "Jeg så lige et interessant biologisk spørgsmål," sagde han. "Jeg er en videnskabsopportunist."

Hans hold studerer organismer, de tror vil afsløre, hvad de kalder adfærds evolutionære Stellschrauben. Det tyske ord betyder bogstaveligt talt "indstillingsskruer", selvom det er en akavet oversættelse: Stellschrauben er de små kontroller, der justerer indstillingerne på en større maskine. Hvis maskinen er nervesystemet, og indstillingerne er direkte adfærd, er Stellschrauben de biologiske kontakter, triggere og knapper, der med blot en lille justering ændrer et dyrs adfærd dramatisk nok til at have evolutionære konsekvenser.

Klapperslanger giver mulighed for at forstå, hvordan biologi ændrer sine hastighedsindstillinger i et enkelt dyr. Forskere, der er interesseret i sådanne spørgsmål, er ofte nødt til at sammenligne forskellige arter med kontrasterende adfærd - f.eks. en måge og en kolibri, som begge flyver, men med forskellige bevægelser ved forskellige hastigheder. Men i så fald er det svært at fastslå, hvilken af ​​de mange biologiske forskelle mellem de to arter, der understøtter variation i en enkelt bevægelsesadfærd. Ved at sammenligne en klapperslanges langsomme glidning med dens hurtige raslen undgår man problemet med at sammenligne æbler med appelsiner eller ansjoser med spækhuggere.

Den indsigt - at klapperslanger har to måder at bevæge sig på i en krop - er grunden til, at Bothe sad i et tog fra München til Graz med en køler fuld af slangerygge.

Tilbage i Graz indlejrede han klapperslangens rygvæv i agar, en type gelatine, og lavede knivtynde skiver til mikroskopi. Visuelt virkede motorneuroner fra slangens ranglen og krop nøjagtig ens. Men da Bothe brugte en elektrode til at teste deres elektriske egenskaber, fandt han slående forskelle.

Neuroner ændrer deres elektriske aktivitet ved hjælp af pumper og kanaler indlejret i deres cellemembraner for at kontrollere strømmen af ​​ladede ioner som kalium og natrium. I hvile holder neuroner deres indre mere negativt ladede end deres ydre miljø og opretholder en hvilemembranspænding på omkring -70 millivolt. Så, når signaler fra andre neuroner øger denne membranspænding, "fyrer" cellen - den åbner sluserne til sine ionkanaler og tillader positive ioner at strømme indenfor, hvilket producerer en hurtig spændingsspids.

Denne spændingsspids, kaldet et aktionspotentiale, glider langs neurons cellemembran, indtil den når en synapse, grænsefladen mellem en neuron og en anden celle, hvor den udløser frigivelsen af ​​messenger-kemikalier kaldet neurotransmittere. I tilfælde af motoriske neuroner og en muskel fortæller frigivelsen af ​​neurotransmitteren acetylcholin, at musklen trækker sig sammen.

Bothe fandt ud af, at den elektriske strøm, der var nødvendig for at nå spændingstærsklen og udløse en slanges kropsmotorneuron, var "meget lavere end for raslemotorneuronerne," sagde han. "Du er nødt til at sætte meget mere strøm ind i [rattle]-neuronen, for at den kan affyres." Og sammenlignet med raslemotorneuroner reagerede kropsmotorneuroner mere trægt.

Fordi rangle-neuroner kun affyrer som reaktion på store, tydelige signaler, er de mindre tilbøjelige til at fejltænde på grund af svage udsving i den neurologiske baggrundsstøj. De er mindre hoppende og mere præcise, hvilket giver dem mulighed for at videresende højere frekvenssignaler.

Efter at have identificeret denne forskel mellem rangle og kropsmotoriske neuroner, var næste skridt at finde den Stellschrauben, der kontrollerer den.

Trial and Error

Neuroner er celler, ikke maskiner, hvilket betyder, at de har rodet biologisk kompleksitet. Den "skrue" Bothe og Chagnaud ledte efter, der kontrollerede motorneuronens elektriske egenskaber kunne være alt fra en subtil justering af strukturen af ​​et membranprotein til ekspressionen af ​​et helt andet sæt ionpumper og kanaler. Alligevel havde forskerne god grund til at tro, at deres Stellschrauben ville involvere en kaliumionkanal. Tidligere undersøgelser af neuroner havde fastslået, at disse kanaler er vigtige for tuning af neuronernes præcision, men deres rolle i at justere adfærden af ​​motorneuroner specifikt var uklar.

"Der er en vis værktøjskasse, lad os sige, der er tilgængelig for evolution," sagde Bothe. "Så måske er det de samme ionkanaler her."

At finde den nøjagtige kanal tog år med forsøg og fejl. Sammenligning af, hvordan krops- og rangleceller udtrykte gener for kaliumkanaler, afslørede ingen signifikante forskelle. Så Chagnaud og Bothe pløjede videre ved at teste virkningerne af lægemidler designet til at blokere bestemte typer kanaler. Til sidst fandt de en kanal, der, når den blev blokeret, genererede forskellige bevægelseshastigheder: en kaliumkanal kaldet KV7_2/3.

Bothe udførte derefter mere præcise eksperimenter ved at bruge stoffer til at forbedre og hindre kanalens aktivitet. Da han begrænsede kanalen i raslemotorneuroner, skød de mere trægt og upræcist, som om de var kropsmotorneuroner. Så, da han forstærkede kaliumionkanalen, observerede han den modsatte effekt: Kropsmotorneuroner affyrede hurtigt og præcist, som raslende motorneuroner.

Det var, som om denne ionkanal var en skive, der kunne vride den ene neurontype ind i den anden. Men hvad var egentlig anderledes ved dette protein i slangens krop og ranglen?

Først troede forskerne, at raslemotorneuroner måtte have ekstra KV7_2/3 kaliumkanaler. Hvis rangle-neuronerne havde flere kanaler, regnede forskerne med, så kunne de aflade ioner hurtigere og bringe spændingen ned igen for at forberede kanalerne til hurtigt at skyde igen.

For at finde ud af det ekstraherede Bothe og Chagnaud og sekventerede RNA fra begge typer klapperslange motorneuroner og sendte dataene til Jason Gallant, en evolutionær biolog ved Michigan State University, så han kunne sammenligne udtrykket af KV7_2/3 kanalgen mellem de to væv. Genet for KV7_2/3 kanaler er de samme i hver celle i dyrets krop - men hvis rangle-neuronerne havde mere KV7_2/3 kanaler, ville forskerne forvente at se højere genekspression i det væv.

Ak, deres simple forklaring blev ikke bevist. "Der er virkelig ingen forskel i niveauet af genekspression i disse kaliumkanaler, hvilket var skuffende," sagde Gallant. "Men jeg tror, ​​det åbner op for et mere realistisk syn på biologi."

Variationer i genets udtryk ville have givet en enkel, åben-og-luk måde at forklare, hvordan de evolutionære skruer på klapperslange motorneuroner er justeret. Men biologien byder på andre muligheder. Chagnaud og Bothe spekulerede i, at efter at kanalproteinerne er konstrueret ud fra det genetiske plan, kan de modificeres til lidt forskellige former, der håndterer ioner anderledes. Mere forskning vil være nødvendig for at fastlægge detaljerne - for at finde den kontrol, der justerer kontrollen.

På sin side betragtede Katz slet ikke resultatet som skuffende. "Så de så ikke en [ændring i] genekspression. Det var det svar, de forventede,” sagde han. "Men faktum er, at det er et fedt resultat."

I mange årtier har forskere antaget, at motoriske kredsløb "eksisterer, efterhånden som de vil blive brugt," sagde Katz - hvilket betyder, at initiering af en adfærd som at gå eller svømme simpelthen er et spørgsmål om at tænde det rigtige kredsløb. I denne opfattelse ville udvikling af en ny adfærd kræve et helt nyt kredsløbslayout. Men i undersøgelser af organismer så forskellige som krebsdyr, søslugs og nu muligvis slanger, det er forskere ved at finde interaktioner med neuromodulatorer og andre kemikalier kan modulere den aktivitet, som et kredsløb fremkalder, hvilket fører til, at de samme netværk af celler producerer markant forskellig adfærd.

Den nye undersøgelse, sagde Katz, antyder, at leg med denne plasticitet kan være en måde, hvorpå ny bevægelsesadfærd udvikler sig. Måske har forskellen mellem rangle og kropsadfærd noget at gøre med subtile forskelle i deres cellers kemiske miljøer, ikke strukturen eller udtrykket af selve ionkanalen.

"For mange evolutionære modifikationer er dit primære mål ikke at knække dyret, ikke?" sagde Bagnall. "Alt, hvad du kan gøre, der tuner karaktertræk uden at blive en tænd/sluk-knap, er et kraftfuldt middel til at drive forandring uden at være dybt skadeligt."

Drejning og Tuning

Denne nye undersøgelse viser, at det er muligt at tune motorneuroner til vildt forskellig adfærd ved at justere et enkelt protein. Men motorneuroner er kun en brik i bevægelsespuslespillet. De er det sidste led i en kæde, der begynder med kredsløb i centralnervesystemet kendt som centrale mønstergeneratorer, som genererer de rytmiske mønstre involveret i gang eller svømning. Disse opstrøms kredsløb er bedre forstået i andre organismer, som zebrafisk. I klapperslanger ville det være et næste logisk skridt at forvirre dem.

"Det manglende led nummer et," sagde Katz, "er, hvordan skaber man frekvensen for ranglen? Hvor kommer det fra?”

Chagnaud er ivrig efter at finde ud af, om en lignende Stellschraube tuner motoriske neuroner i en anden art, der frygtes for dens bid. Som klapperslanger udfører piranhaer to rytmiske bevægelser med radikalt forskellige frekvenser: svømning med en frekvens på op til seks cyklusser i sekundet og vibrerer deres svømmeblærer med frekvenser på op til 140 cyklusser i sekundet for at lave lyde, der lyder som gøen, yip og trommeslag. Men i modsætning til klapperslanger bruger piranhaer den samme del af deres rygsøjle til at kontrollere begge bevægelsestyper.

“Jeg er nysgerrig efter at vide, bliver det KV7_2/3? Vi aner ikke, sagde Chagnaud. "Fundede evolutionen den samme løsning på det samme problem?"

Han har sine tvivl. Selvom han er håbefuld om at finde en lignende mekanisme, var den overraskende - og til tider frustrerende - opdagelse i klapperslanger "en øjenåbner," sagde han. Evolution er ikke en menneskelig designer med et mål for øje. Dens metoder er mystiske, og dens værktøjskasse er enorm. "Og du har meget forskellige skruer, som du kan dreje."