Μικροσκοπικές τροποποιήσεις στους νευρώνες μπορούν να επανασυνδέσουν την κίνηση των ζώων | Περιοδικό Quanta

Τον Μάρτιο του 2019, σε ένα τρένο που κατευθυνόταν νοτιοδυτικά από το Μόναχο, ο νευροεπιστήμονας Maximilian Bothe προσάρμοσε το προσεκτικό κράτημα του στο ψυγείο στην αγκαλιά του. Δεν περιείχε το μεσημεριανό του. Μέσα υπήρχε ιστός από μισή ντουζίνα νωτιαίου μυελού κροταλίας συσκευασμένος σε πάγο - μια ειδική παράδοση για τον νέο του σύμβουλο έρευνας Boris Chagnaud, ένας νευροεπιστήμονας συμπεριφοράς που βασίζεται στην άλλη πλευρά των Άλπεων. Στο εργαστήριό του στο Πανεπιστήμιο του Γκρατς στην Αυστρία, ο Chagnaud διατηρεί ένα θηριοτροφείο υδρόβιων ζώων που κινούνται με ασυνήθιστους τρόπους - από πιράνχας και γατόψαρα που χτυπούν κύστη αέρα για να παράγουν ήχο μέχρι λασπόπτερους που χοροπηδούν στη στεριά με δύο πτερύγια. Ο Chagnaud μελετά και συγκρίνει τα νευρωνικά κυκλώματα αυτών των πλασμάτων για να καταλάβει πώς θα μπορούσαν να εξελιχθούν νέοι τρόποι κίνησης, και ο Bothe έφερε τις ράχες του κροταλία για να συμμετάσχει στην προσπάθεια.

Οι τρόποι με τους οποίους κινούνται τα ζώα είναι τόσο μυριάδες όσο και το ίδιο το ζωικό βασίλειο. Περπατούν, τρέχουν, κολυμπούν, σέρνονται, πετούν και γλιστράουν — και σε καθεμία από αυτές τις κατηγορίες βρίσκεται ένας τεράστιος αριθμός διακριτικά διαφορετικών τύπων κίνησης. Ένας γλάρος και ένα κολίβριο έχουν και τα δύο φτερά, αλλά κατά τα άλλα οι τεχνικές πτήσης και οι ικανότητές τους είναι διαφορετικοί πόλοι. Οι όρκες και τα πιράνχας έχουν και οι δύο ουρές, αλλά καταφέρνουν πολύ διαφορετικούς τύπους κολύμβησης. Ακόμη και ένας άνθρωπος που περπατά ή τρέχει κινεί το σώμα του με θεμελιωδώς διαφορετικούς τρόπους.

Ο ρυθμός και ο τύπος των κινήσεων που μπορεί να εκτελέσει ένα συγκεκριμένο ζώο καθορίζονται από βιολογικό υλικό: νεύρα, μύες και οστά των οποίων οι λειτουργίες δεσμεύονται από νευρολογικούς περιορισμούς. Για παράδειγμα, οι ρυθμοί βάδισης των σπονδυλωτών ρυθμίζονται από κυκλώματα στις σπονδυλικές στήλες τους που πυροδοτούνται χωρίς καμία συνειδητή είσοδο από τον εγκέφαλο. Ο ρυθμός αυτής της κίνησης υπαγορεύεται από τις ιδιότητες των νευρωνικών κυκλωμάτων που τους ελέγχουν.

Για να εξελίξει ένα ζώο έναν νέο τρόπο κίνησης, κάτι στο νευρολογικό του κύκλωμα πρέπει να αλλάξει. Ο Chagnaud θέλει να περιγράψει πώς ακριβώς συμβαίνει αυτό.

«Στην εξέλιξη, δεν εφευρίσκεις μόνο τον τροχό. Παίρνεις κομμάτια που ήταν ήδη εκεί και τα τροποποιείς», είπε. "Πώς τροποποιείτε αυτά τα συστατικά που είναι κοινά σε πολλά διαφορετικά είδη για να δημιουργήσετε νέες συμπεριφορές;"

Πρόσφατα, η ομάδα του βρήκε μια απάντηση σε αυτή την ερώτηση στα πειράματά της με τους κροταλίες του Bothe - έναν οργανισμό που έχει δύο διακριτούς ρυθμούς κίνησης ενσωματωμένους σε ένα μακρύ, λεπτό σώμα.

Τα αποτελέσματά τους, δημοσιευτηκε σε Current Biology Τον Ιανουάριο, εντόπισε πώς η σύγκρουση με μια μόνο πρωτεΐνη - ένα κανάλι ιόντων καλίου - θα μπορούσε να κάνει τους κινητικούς νευρώνες που πυροδοτούνται από την κροταλιστική ουρά ενός φιδιού να συμπεριφέρονται περισσότερο σαν τους αργούς κινητικούς νευρώνες από το κυματοειδές σώμα του και αντίστροφα. Το εύρημα είναι απόδειξη ότι οι φαινομενικά μικρές αλλαγές στη φυσιολογία ενός ζώου μπορούν να μεταφράσουν την ίδια εντολή από το νευρικό σύστημα σε διαφορετικούς τρόπους κίνησης.

«Αυτό που σκέφτηκα ότι ήταν ιδιαίτερα μοναδικό και ενδιαφέρον σε αυτή τη μελέτη είναι ότι εστίασαν σε κινητικούς νευρώνες με δύο πολύ διαφορετικές εργασίες, αλλά μέσα στο ίδιο ζώο», είπε ο νευροεπιστήμονας. Μάρθα Μπάναλ του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον στο Σεντ Λούις, ο οποίος δεν συμμετείχε στη δουλειά. «Κοιτάζοντάς τους μέσα σε ένα ζώο τους έδωσε αυτή την πολύ ωραία, αυστηρή σύγκριση».

Το εύρημα δείχνει έναν τρόπο με τον οποίο τα ζώα στο δέντρο της ζωής μπορούν να εξελίξουν νέες συμπεριφορές. Η προσαρμογή του σωστού κομματιού βιολογικού μηχανήματος - σε αυτήν την περίπτωση, ενός συγκεκριμένου καναλιού ιόντων - μπορεί να αλλάξει δραστικά την απόδοση, όπως ακριβώς συμβαίνει και με την περιστροφή του επιλογέα έντασης σε ένα μεγάφωνο. Το Evolution μπορεί να ενεργήσει πρώτα στα χειριστήρια, αντί να επεξεργαστεί ξανά ολόκληρο το μηχάνημα.

«Ήταν ένα πολύ καθαρό αποτέλεσμα», είπε Πολ Κατς, ένας νευροεπιστήμονας συμπεριφοράς στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης στο Amherst, ο οποίος επίσης δεν συμμετείχε στην εργασία. «Και, ξέρετε, κροταλίες — είναι υπέροχοι».

Βίδες ρύθμισης

Ο Chagnaud δεν ενδιαφέρεται για τους κροταλίες καθαυτές. «Μόλις είδα μια ενδιαφέρουσα βιολογική ερώτηση», είπε. «Είμαι οπορτουνιστής της επιστήμης».

Η ομάδα του μελετά οργανισμούς που πιστεύουν ότι θα αποκαλύψουν αυτό που αποκαλούν εξελικτική συμπεριφορά Stellschrauben. Η γερμανική λέξη σημαίνει κυριολεκτικά «βίδες ρύθμισης», αν και αυτή είναι μια άβολη μετάφραση: Τα Stellschrauben είναι τα μικρά χειριστήρια που προσαρμόζουν τις ρυθμίσεις ενός μεγαλύτερου μηχανήματος. Εάν το μηχάνημα είναι το νευρικό σύστημα και οι ρυθμίσεις είναι άμεση συμπεριφορά, το Stellschrauben είναι οι βιολογικοί διακόπτες, οι σκανδάλες και τα πόμολα που, με μια μικρή αλλαγή, αλλάζουν τη συμπεριφορά ενός ζώου αρκετά δραματικά ώστε να έχουν εξελικτικές συνέπειες.

Οι κροταλίες προσφέρουν μια ευκαιρία να κατανοήσουμε πώς η βιολογία αλλάζει τις ρυθμίσεις ταχύτητας σε ένα μόνο ζώο. Οι ερευνητές που ενδιαφέρονται για τέτοια ερωτήματα πρέπει συχνά να συγκρίνουν διαφορετικά είδη με αντίθετες συμπεριφορές - ας πούμε, έναν γλάρο και ένα κολίβριο, που πετούν και τα δύο, αλλά με διαφορετικές κινήσεις με διαφορετικές ταχύτητες. Ωστόσο, σε αυτή την περίπτωση είναι δύσκολο να προσδιοριστεί ποια από τις πολλές βιολογικές διακρίσεις μεταξύ των δύο ειδών στηρίζει την παραλλαγή σε μια συμπεριφορά μεμονωμένης κίνησης. Συγκρίνοντας την αργή ολίσθηση ενός κροταλία με το γρήγορο κροταλισμό του, αποφεύγεται το πρόβλημα της σύγκρισης των μήλων με τα πορτοκάλια ή του γαύρου με τις όρκες.

Αυτή η επίγνωση - ότι οι κροταλίες έχουν δύο τρόπους να κινούνται σε ένα σώμα - είναι ο λόγος που ο Μποτέ βρέθηκε να κάθεται σε ένα τρένο από το Μόναχο στο Γκρατς με ένα ψυγείο γεμάτο αγκάθια φιδιών.

Πίσω στο Γκρατς, ενσωμάτωσε τον νωτιαίο ιστό του κροταλία σε άγαρ, ένα είδος ζελατίνης, και έφτιαξε φέτες λεπτές σαν ξυράφι για μικροσκοπία. Οπτικά, οι κινητικοί νευρώνες από την κουδουνίστρα και το σώμα του φιδιού φαίνονταν ακριβώς ίδιοι. Αλλά όταν ο Bothe χρησιμοποίησε ένα ηλεκτρόδιο για να δοκιμάσει τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες, βρήκε εντυπωσιακές διαφορές.

Οι νευρώνες μεταβάλλουν την ηλεκτρική τους δραστηριότητα χρησιμοποιώντας αντλίες και κανάλια ενσωματωμένα στις κυτταρικές τους μεμβράνες για να ελέγχουν τη ροή φορτισμένων ιόντων όπως το κάλιο και το νάτριο. Σε ηρεμία, οι νευρώνες διατηρούν το εσωτερικό τους πιο αρνητικά φορτισμένο από το εξωτερικό τους περιβάλλον, διατηρώντας μια τάση μεμβράνης ηρεμίας περίπου -70 millivolt. Στη συνέχεια, όταν τα σήματα από άλλους νευρώνες αυξάνουν αυτή την τάση της μεμβράνης, το κύτταρο «πυροδοτεί» - ανοίγει τις πύλες των καναλιών ιόντων και επιτρέπει στα θετικά ιόντα να ρέουν μέσα, παράγοντας μια ταχεία απότομη αύξηση της τάσης.

Αυτή η αιχμή τάσης, που ονομάζεται δυναμικό δράσης, κλείνει κατά μήκος της κυτταρικής μεμβράνης του νευρώνα μέχρι να φτάσει σε μια σύναψη, τη διεπαφή μεταξύ ενός νευρώνα και ενός άλλου κυττάρου, όπου πυροδοτεί την απελευθέρωση χημικών αγγελιαφόρων που ονομάζονται νευροδιαβιβαστές. Στην περίπτωση των κινητικών νευρώνων και ενός μυός, η απελευθέρωση του νευροδιαβιβαστή ακετυλοχολίνη λέει στον μυ να συστέλλεται.

Ο Bothe διαπίστωσε ότι το ηλεκτρικό ρεύμα που χρειαζόταν για να φτάσει το κατώφλι τάσης και να πυροδοτήσει τον κινητικό νευρώνα του σώματος ενός φιδιού ήταν «πολύ χαμηλότερο από ό,τι για τους κινητικούς νευρώνες του κροταλισμού», είπε. «Πρέπει να βάλετε πολύ περισσότερο ρεύμα στον νευρώνα [κουδουνίστρα] για να ενεργοποιηθεί». Και σε σύγκριση με τους κινητικούς νευρώνες του κουδουνίσματος, οι κινητικοί νευρώνες του σώματος αντέδρασαν πιο αργά.

Επειδή οι νευρώνες κουδουνίσματος πυροδοτούνται μόνο ως απόκριση σε μεγάλα, προφανή σήματα, είναι λιγότερο πιθανό να ελαττωθούν λόγω των αδύναμων διακυμάνσεων του θορύβου του νευρολογικού περιβάλλοντος. Είναι λιγότερο αλματώδεις και πιο ακριβείς, γεγονός που τους επιτρέπει να αναμεταδίδουν σήματα υψηλότερης συχνότητας.

Έχοντας εντοπίσει αυτή τη διαφορά μεταξύ των κινητικών νευρώνων του κουδουνίσματος και του σώματος, το επόμενο βήμα ήταν να βρεθεί το Stellschrauben που τον ελέγχει.

Δοκιμής και του λάθους

Οι νευρώνες είναι κύτταρα, όχι μηχανές, πράγμα που σημαίνει ότι έχουν ακατάστατη βιολογική πολυπλοκότητα. Η «βίδα» που έψαχναν οι Bothe και Chagnaud για τον έλεγχο των ηλεκτρικών ιδιοτήτων του κινητικού νευρώνα θα μπορούσαν να είναι οτιδήποτε από μια λεπτή αλλαγή στη δομή μιας πρωτεΐνης μεμβράνης έως την έκφραση ενός εντελώς διαφορετικού συνόλου αντλιών ιόντων και καναλιών. Ωστόσο, οι ερευνητές είχαν καλό λόγο να πιστεύουν ότι το Stellschrauben τους θα περιλάμβανε ένα κανάλι ιόντων καλίου. Προηγούμενες μελέτες νευρώνων είχαν αποδείξει ότι αυτά τα κανάλια είναι σημαντικά για τον συντονισμό της ακρίβειας των νευρώνων, αλλά ο ρόλος τους στην προσαρμογή της συμπεριφοράς των κινητικών νευρώνων ήταν ασαφής.

«Υπάρχει μια συγκεκριμένη εργαλειοθήκη, ας πούμε, που είναι διαθέσιμη για την εξέλιξη», είπε ο Bothe. "Οπότε ίσως είναι τα ίδια κανάλια ιόντων εδώ."

Η εύρεση του ακριβούς καναλιού χρειάστηκε χρόνια δοκιμών και σφαλμάτων. Η σύγκριση του τρόπου με τον οποίο τα κύτταρα του σώματος και της κουδουνίστρας εξέφρασαν τα γονίδια για τα κανάλια καλίου δεν αποκάλυψε σημαντικές διαφορές. Έτσι, ο Chagnaud και ο Bothe όργωσαν μπροστά δοκιμάζοντας τα αποτελέσματα φαρμάκων που έχουν σχεδιαστεί για να εμποδίζουν συγκεκριμένους τύπους καναλιών. Τέλος, βρήκαν ένα κανάλι που, όταν μπλοκαριστεί, παρήγαγε διαφορετικές ταχύτητες κίνησης: ένα κανάλι καλίου που ονομάζεται KV7_2/3.

Στη συνέχεια και οι δύο έκαναν πιο ακριβή πειράματα, χρησιμοποιώντας φάρμακα για να ενισχύσουν και να εμποδίσουν τη δραστηριότητα του καναλιού. Όταν περιόρισε το κανάλι στους κινητικούς νευρώνες με κουδουνίστρα, πυροβολούσαν πιο αργά και με ανακρίβεια, σαν να ήταν κινητικοί νευρώνες του σώματος. Στη συνέχεια, όταν ενίσχυσε το κανάλι ιόντων καλίου, παρατήρησε το αντίθετο αποτέλεσμα: Οι κινητικοί νευρώνες του σώματος πυροδοτούν γρήγορα και με ακρίβεια, όπως οι κινητικοί νευρώνες κουδουνίσματος.

Ήταν σαν αυτός ο δίαυλος ιόντων να ήταν ένας επιλογέας που μπορούσε να στρίψει τον έναν τύπο νευρώνων στον άλλο. Αλλά τι διαφορετικό είχε στην πραγματικότητα αυτή η πρωτεΐνη στο σώμα και την κουδουνίστρα του φιδιού;

Αρχικά, οι ερευνητές θεώρησαν ότι οι κινητικοί νευρώνες κουδουνίσματος πρέπει να έχουν επιπλέον KV7_2/3 κανάλια καλίου. Εάν οι νευρώνες κουδουνίσματος είχαν περισσότερα κανάλια, υπολόγισαν οι επιστήμονες, τότε θα μπορούσαν να εκκενώσουν ιόντα πιο γρήγορα, μειώνοντας την τάση πίσω για να προετοιμαστούν τα κανάλια για γρήγορη εκτόξευση ξανά.

Για να το ανακαλύψουν, ο Bothe και ο Chagnaud εξήγαγαν και ανέλυσαν την αλληλουχία του RNA και από τους δύο τύπους κινητικών νευρώνων κροταλίας και έστειλαν τα δεδομένα στο Τζέισον Γκάλαντ, εξελικτικός βιολόγος στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, ώστε να μπορεί να συγκρίνει την έκφραση του KV7_2/3 γονίδιο καναλιού μεταξύ των δύο ιστών. Το γονίδιο για το KV7_2/3 τα κανάλια είναι τα ίδια σε κάθε κύτταρο του σώματος του ζώου — αλλά αν οι νευρώνες κουδουνίσματος είχαν περισσότερο KV7_2/3 Οι ερευνητές θα περίμεναν να δουν υψηλότερη γονιδιακή έκφραση σε αυτόν τον ιστό.

Αλίμονο, η απλή εξήγηση τους δεν αποδείχθηκε. «Δεν υπάρχει πραγματικά καμία διαφορά στο επίπεδο γονιδιακής έκφρασης σε αυτά τα κανάλια καλίου, κάτι που ήταν απογοητευτικό», είπε ο Gallant. «Αλλά νομίζω ότι ανοίγει μια πιο ρεαλιστική άποψη της βιολογίας».

Οι παραλλαγές στην έκφραση του γονιδίου θα παρείχαν έναν απλό, ανοιχτό και κλειστό τρόπο για να εξηγηθεί πώς ρυθμίζονται οι εξελικτικές βίδες στους κινητικούς νευρώνες του κροταλία. Αλλά η βιολογία προσφέρει άλλες δυνατότητες. Οι Chagnaud και Bothe υπέθεσαν ότι αφού οι πρωτεΐνες των καναλιών κατασκευαστούν από το γενετικό σχέδιο, θα μπορούσαν να τροποποιηθούν σε ελαφρώς διαφορετικές μορφές που διαχειρίζονται διαφορετικά τα ιόντα. Θα χρειαστεί περισσότερη έρευνα για να προσδιοριστούν οι λεπτομέρειες — για να βρεθεί το στοιχείο ελέγχου που προσαρμόζει το στοιχείο ελέγχου.

Από την πλευρά του, ο Κατς δεν θεώρησε το αποτέλεσμα καθόλου απογοητευτικό. «Επομένως, δεν είδαν μια [αλλαγή] γονιδιακή έκφραση. Αυτή ήταν η απάντηση που περίμεναν», είπε. «Αλλά το γεγονός είναι ότι αυτό είναι ένα ωραίο αποτέλεσμα».

Για πολλές δεκαετίες, οι ερευνητές υπέθεσαν ότι τα κυκλώματα κινητήρα «υπάρχουν όπως θα χρησιμοποιηθούν», είπε ο Katz - που σημαίνει ότι η έναρξη μιας συμπεριφοράς όπως το περπάτημα ή το κολύμπι είναι απλώς θέμα ενεργοποίησης του σωστού κυκλώματος. Από αυτή την άποψη, η εξέλιξη μιας νέας συμπεριφοράς θα απαιτούσε μια εντελώς νέα διάταξη κυκλώματος. Αλλά σε μελέτες οργανισμών τόσο διαφορετικών όσο μαλακόστρακα, γυμνοσάλιαγκες και τώρα πιθανώς τα φίδια, οι ερευνητές το βρίσκουν αυτό αλληλεπιδράσεις με νευροδιαμορφωτές και άλλες χημικές ουσίες μπορούν να ρυθμίσουν τη δραστηριότητα που προκαλεί ένα κύκλωμα, οδηγώντας τα ίδια δίκτυα κυττάρων να παράγουν αξιοσημείωτα διαφορετικές συμπεριφορές.

Η νέα μελέτη, είπε ο Katz, υπονοεί ότι το παιχνίδι με αυτή την πλαστικότητα θα μπορούσε να είναι ένας τρόπος με τον οποίο εξελίσσονται νέες συμπεριφορές κίνησης. Ίσως η διαφορά μεταξύ του κουδουνίσματος και της συμπεριφοράς του σώματος να έχει να κάνει με τις ανεπαίσθητες διαφορές στο χημικό περιβάλλον των κυττάρων τους, όχι με τη δομή ή την έκφραση του ίδιου του καναλιού ιόντων.

«Για πολλές εξελικτικές τροποποιήσεις, ο πρωταρχικός σας στόχος είναι να μην σπάσετε το ζώο, σωστά;» είπε ο Bagnall. «Οτιδήποτε μπορείτε να κάνετε που συντονίζει τα χαρακτηριστικά χωρίς να γίνεται διακόπτης on/off είναι ένα ισχυρό μέσο για να οδηγείτε τις αλλαγές χωρίς να είναι βαθιά επιβλαβές».

Στροφή και συντονισμός

Αυτή η νέα μελέτη δείχνει ότι είναι δυνατός ο συντονισμός των κινητικών νευρώνων για πολύ διαφορετικές συμπεριφορές, τροποποιώντας μια μόνο πρωτεΐνη. Αλλά οι κινητικοί νευρώνες είναι μόνο ένα κομμάτι του παζλ κίνησης. Είναι ο τελευταίος κρίκος σε μια αλυσίδα που ξεκινά με κυκλώματα στο κεντρικό νευρικό σύστημα γνωστά ως γεννήτριες κεντρικών μοτίβων, τα οποία δημιουργούν τα ρυθμικά μοτίβα που εμπλέκονται στο περπάτημα ή το κολύμπι. Αυτά τα κυκλώματα ανάντη είναι καλύτερα κατανοητά σε άλλους οργανισμούς, όπως τα ψάρια ζέβρα. Στους κροταλίες, το να τους μπερδέψετε θα ήταν ένα επόμενο λογικό βήμα.

«Ο νούμερο ένα κρίκος που λείπει», είπε ο Katz, «είναι πώς δημιουργείτε τη συχνότητα για την κουδουνίστρα; Από πού προκύπτει αυτό;»

Ο Chagnaud είναι πρόθυμος να ανακαλύψει εάν ένα παρόμοιο Stellschraube συντονίζει τους κινητικούς νευρώνες σε ένα άλλο είδος που φοβόταν για το δάγκωμά του. Όπως οι κροταλίες, τα πιράνχας εκτελούν δύο ρυθμικές κινήσεις με ριζικά διαφορετικές συχνότητες: κολύμπι, με συχνότητα έως και έξι κύκλους ανά δευτερόλεπτο, και δονώντας την ουροδόχο κύστη τους σε συχνότητες έως και 140 κύκλων το δευτερόλεπτο για να κάνουν θορύβους που ακούγονται σαν γαβγίσματα, γκι. τυμπανοκρουσίες. Ωστόσο, σε αντίθεση με τους κροταλίες, τα πιράνχας χρησιμοποιούν το ίδιο τμήμα της σπονδυλικής τους στήλης για να ελέγχουν και τους δύο τύπους κίνησης.

«Είμαι περίεργος να μάθω, θα είναι το KV7_2/3? Δεν έχουμε ιδέα», είπε ο Chagnaud. «Η εξέλιξη βρήκε την ίδια λύση στο ίδιο πρόβλημα;»

Έχει τις αμφιβολίες του. Παρόλο που είναι αισιόδοξος για την εύρεση ενός παρόμοιου μηχανισμού, η εκπληκτική - και μερικές φορές απογοητευτική - ανακάλυψη στους κροταλίες «ήταν μια μεγάλη έκπληξη», είπε. Η Evolution δεν είναι ένας ανθρώπινος σχεδιαστής με στόχο στο μυαλό. Οι μέθοδοί του είναι μυστηριώδεις και η εργαλειοθήκη του είναι τεράστια. "Και έχετε πολύ διαφορετικές βίδες που μπορείτε να γυρίσετε."