Väikesed muudatused neuronites võivad loomade liikumist ümber juhtida | Ajakiri Quanta

2019. aasta märtsis sõitis neuroteadlane rongis Münchenist edelasse Maximilian Bothe kohendas ettevaatlikku haaret süles olevast jahutist. See ei sisaldanud tema lõunasööki. Sees oli poole tosina jäässe pakitud lõgismadu seljaaju kude – erisaadetis tema uuele teadusnõunikule Boriss Chagnaud, käitumuslik neuroteadlane, kes tegutseb teisel pool Alpe. Oma Austrias Grazi ülikoolis asuvas laboris peab Chagnaud loomaaeda veeloomadest, kes liiguvad ebatavalisel viisil – alates piraajadest ja sägadest, kes trummeldavad õhupõied heli tekitamiseks, kuni porimeesteni, kes hüppavad kahel uimel maal. Chagnaud uurib ja võrdleb nende olendite neuronaalseid ahelaid, et mõista, kuidas võivad areneda uued liikumisviisid, ning Bothe oli kaasas oma lõgismadu ogad, et sellega ühineda.

Loomade liikumisviise on peaaegu sama palju kui loomariiki ise. Nad kõnnivad, jooksevad, ujuvad, roomavad, lendavad ja libisevad – ja igas nendes kategooriates on tohutul hulgal peenelt erinevaid liikumistüüpe. Kajakal ja koolibril on mõlemal tiivad, kuid muidu on nende lennutehnika ja -võimed teineteisest erinevad. Orkadel ja piraajadel on mõlemal saba, kuid nad ujuvad väga erinevalt. Isegi kõndiv või jooksev inimene liigutab oma keha põhimõtteliselt erineval viisil.

Looma liigutuste tempo ja tüübi määrab bioloogiline riistvara: närvid, lihased ja luud, mille funktsioonid on seotud neuroloogiliste piirangutega. Näiteks selgroogsete kõndimistempo määravad nende selgroos olevad ahelad, mis süttivad ilma aju teadliku sisendita. Selle liikumise tempo määravad neid kontrollivate neuronaalsete ahelate omadused.

Selleks, et loom arendaks välja uudse liikumisviisi, peab midagi tema neuroloogilises ahelas muutuma. Chagnaud soovib täpselt kirjeldada, kuidas see juhtub.

„Evolutsioonis ei leiuta sa lihtsalt jalgratast. Te võtate tükid, mis olid juba olemas, ja muudate neid, ”sõnas ta. "Kuidas muuta neid komponente, mis on jagatud paljude erinevate liikide vahel, et luua uus käitumine?"

Hiljuti leidis tema meeskond sellele küsimusele ühe vastuse katsetes Bothe lõgismadudega - organismiga, millel on kaks erinevat liikumistempot, mis on ehitatud ühte pikka ja saledasse kehasse.

Nende tulemused, avaldatakse Current Biology jaanuaris tuvastas, kuidas ühe valgu – kaaliumiioonikanali – kallal nokitsemine võib panna madu põriseva saba kiiresti süttivad motoorsed neuronid käituma rohkem nagu selle lainetava keha loid motoorne neuronid ja vastupidi. See leid on tõend selle kohta, et näiliselt väikesed muutused looma füsioloogias võivad muuta sama närvisüsteemi käsu erinevateks liikumisviisideks.

"Minu arvates oli selle uuringu puhul eriti ainulaadne ja huvitav see, et nad keskendusid motoorsetele neuronitele, millel on kaks väga erinevat tööd, kuid samas loomas," ütles neuroteadlane. Martha Bagnall Louis'i Washingtoni ülikoolist, kes ei osalenud töös. "Nende vaatamine ühe looma sees andis neile selle tõesti kena ja tiheda võrdluse."

Leid viitab viisile, kuidas loomad üle elupuu võivad arendada uut käitumist. Õige bioloogilise masinavärgi – antud juhul konkreetse ioonkanali – häälestamine võib jõudlust drastiliselt muuta, täpselt nagu kõlari helitugevusnupu keeramine. Evolution võib kõigepealt tegutseda juhtseadiste osas, selle asemel, et kogu masinat ümber töötada.

"See oli väga puhas tulemus," ütles Paul Katz, käitumuslik neuroteadlane Massachusettsi ülikoolist Amherstis, kes samuti ei osalenud töös. "Ja teate, lõgismaod – nad on lahedad."

Seadistuskruvid

Chagnaud ei ole lõgismadudest iseenesest huvitatud. "Nägin just huvitavat bioloogilist küsimust," ütles ta. "Ma olen teaduse oportunist."

Tema meeskond uurib organisme, mis nende arvates paljastavad selle, mida nad nimetavad käitumise evolutsiooniliseks Stellschrauben. Saksakeelne sõna tähendab sõna-sõnalt "seadekruvid", kuigi see on ebamugav tõlge: Stellschrauben on väikesed juhtnupud, mis reguleerivad suurema masina sätteid. Kui masin on närvisüsteem ja seadistused on otsene käitumine, on Stellschrauben bioloogilised lülitid, päästikud ja nupud, mis vaid väikese näpistamise korral muudavad looma käitumist piisavalt dramaatiliselt, et avaldada evolutsioonilisi tagajärgi.

Lõgismadud annavad võimaluse mõista, kuidas bioloogia muudab ühe looma kiiruse sätteid. Sellistest küsimustest huvitatud teadlased peavad sageli võrdlema erinevaid liike, millel on vastandlik käitumine – näiteks kajakas ja koolibri, mis mõlemad lendavad, kuid erineva kiirusega erineva liikumisega. Kuid sel juhul on raske kindlaks teha, milline paljudest kahe liigi bioloogilistest erinevustest on aluseks ühe liikumise käitumise varieerumisele. Võrreldes lõgismao aeglast libisemist selle kiire ragistamisega väldib õunte ja apelsinide või anšooviste võrdlemise probleemi orkadega.

See arusaam – et lõgismadudel on ühes kehas kaks liikumisviisi – avastas Bothe end istumas Münchenist Grazi suunduval rongil jahutiga, mis oli täis madu ogasid.

Tagasi Grazis kinnistas ta lõgismadu seljakoe agarisse, teatud tüüpi želatiini, ja tegi mikroskoopia jaoks žileti õhukesed viilud. Visuaalselt tundusid mao kõristist ja kehast pärinevad motoorsed neuronid täpselt samasugused. Kuid kui Bothe kasutas nende elektriliste omaduste testimiseks elektroodi, leidis ta silmatorkavaid erinevusi.

Neuronid muudavad oma elektrilist aktiivsust, kasutades rakumembraanidesse sisseehitatud pumpasid ja kanaleid, et kontrollida laetud ioonide (nt kaaliumi ja naatriumi) voolu. Puhkeolekus hoiavad neuronid oma sisemust väliskeskkonnast negatiivsemalt laetuna, säilitades puhkemembraani pinge umbes –70 millivolti. Seejärel, kui teiste neuronite signaalid suurendavad seda membraani pinget, rakk "tulitab" - see paiskab lahti oma ioonikanalite tõkked ja laseb positiivsetel ioonidel sisse voolata, tekitades kiire pinge hüppe.

See pingetipp, mida nimetatakse aktsioonipotentsiaaliks, tõmbub piki neuroni rakumembraani, kuni see jõuab sünapsini, neuroni ja teise raku vahelise liideseni, kus see käivitab neurotransmitteriteks kutsutavate sõnumikemikaalide vabanemise. Motoorsete neuronite ja lihase korral käsib neurotransmitteri atsetüülkoliini vabanemine lihasel kokku tõmbuda.

Bothe leidis, et pingeläve saavutamiseks ja mao keha motoorsete neuronite käivitamiseks vajalik elektrivool oli "palju madalam kui kõristi motoneuronite jaoks", ütles ta. "Te peate [kõristi] neuronisse panema palju rohkem voolu, et see süttiks." Ja võrreldes kõristi motoorsete neuronitega, reageerisid keha motoorsed neuronid aeglasemalt.

Kuna kõristi neuronid vallandavad ainult vastusena suurtele, ilmsetele signaalidele, on neil vähem tõenäoline süütetõrge neuroloogilise taustmüra nõrkade kõikumiste tõttu. Need on vähem hüplikud ja täpsemad, mis võimaldab neil edastada kõrgema sagedusega signaale.

Olles tuvastanud selle erinevuse kõristi ja keha motoorsete neuronite vahel, oli järgmine samm leida Stellschrauben, mis seda kontrollib.

Katse ja eksimuse meetod

Neuronid on rakud, mitte masinad, mis tähendab, et neil on segane bioloogiline keerukus. "Truvi" Bothe ja Chagnaud otsisid, mis kontrollib motoorsete neuronite elektrilisi omadusi, mis võivad olla kõike alates membraanivalgu struktuuri peenest näpunäidetest kuni täiesti erineva ioonpumpade ja kanalite komplekti ekspressioonini. Siiski oli teadlastel põhjust arvata, et nende Stellschrauben hõlmab kaaliumiioonikanalit. Varasemad neuronite uuringud näitasid, et need kanalid on neuronite täpsuse häälestamiseks olulised, kuid nende roll motoorsete neuronite käitumise kohandamisel oli ebaselge.

"Oletame, et evolutsiooni jaoks on saadaval teatud tööriistakomplekt, " ütles Bothe. "Nii et võib-olla on siin samad ioonkanalid."

Täpse kanali leidmine võttis aastaid katse-eksitusi. Võrreldes, kuidas keha- ja kõristirakud ekspresseerisid kaaliumikanalite geene, ei näidanud olulisi erinevusi. Nii et Chagnaud ja Bothe läksid edasi, testides teatud tüüpi kanalite blokeerimiseks mõeldud ravimite toimet. Lõpuks leidsid nad kanali, mis blokeerides tekitas erineva liikumiskiiruse: kaaliumikanali nimega KV7_2/3.

Seejärel viis Bothe läbi täpsemad katsed, kasutades ravimeid kanali tegevuse tugevdamiseks ja takistamiseks. Kui ta piiras kõrisevate motoorsete neuronite kanalit, tulistasid need aeglasemalt ja ebatäpsemalt, justkui oleks tegemist keha motoorsete neuronitega. Seejärel, kui ta suurendas kaaliumiioonikanalit, täheldas ta vastupidist efekti: keha motoorsed neuronid tulistasid kiiresti ja täpselt nagu kõristi motoneuronid.

Tundus, nagu oleks see ioonkanal sihverplaat, mis võib ühe neuronitüübi teiseks keerata. Mis aga selle valgu puhul mao kehas ja kõristis tegelikult teisiti oli?

Alguses arvasid teadlased, et kõristi motoneuronitel peab olema ekstra KV7_2/3 kaaliumikanalid. Teadlased arvasid, et kui kõrisevatel neuronitel oleks rohkem kanaleid, saaksid nad ioone kiiremini tühjendada, tuues pinge tagasi, et valmistada kanaleid uuesti kiireks süttimiseks.

Selle väljaselgitamiseks eraldasid ja sekveneerisid Bothe ja Chagnaud mõlemat tüüpi lõgismadu motoorsete neuronite RNA ja saatsid andmed Jason Gallant, Michigani osariigi ülikooli evolutsioonibioloog, et ta saaks võrrelda KV7 väljendust._2/3 kanali geen kahe koe vahel. KV7 geen_2/3 kanalid on looma igas keharakus ühesugused, kuid kui kõristi neuronitel oleks rohkem KV7_2/3 kanalitele, ootavad teadlased selles koes kõrgemat geeniekspressiooni.

Paraku nende lihtsat seletust ei tõestatud. "Nendes kaaliumikanalites ei ole geeniekspressiooni tasemes tegelikult erinevusi, mis oli pettumus," ütles Gallant. "Kuid ma arvan, et see avab bioloogiast realistlikuma vaate."

Geeni ekspressiooni variatsioonid oleksid andnud lihtsa, avatud ja suletud viisi, kuidas selgitada, kuidas reguleeritakse lõgismadu motoorsete neuronite evolutsioonilisi kruvisid. Kuid bioloogia pakub muid võimalusi. Chagnaud ja Bothe oletasid, et pärast seda, kui kanalivalgud on geneetilisest plaanist konstrueeritud, saab neid muuta veidi erinevateks vormideks, mis juhivad ioone erinevalt. Üksikasjade kindlakstegemiseks on vaja rohkem uurimistööd - et leida juhtelement, mis reguleerib juhtelementi.

Katz omalt poolt ei pidanud tulemust sugugi pettumuseks. "Nii et nad ei näinud [muutust] geeniekspressioonis. See oli vastus, mida nad ootasid,” ütles ta. "Kuid fakt on see, et see on lahe tulemus."

Paljud aastakümned on teadlased eeldanud, et mootoriahelad on "olemas nii, nagu neid kasutatakse", ütles Katz - see tähendab, et sellise käitumise käivitamine nagu kõndimine või ujumine on lihtsalt õige vooluringi sisselülitamise küsimus. Selles vaates eeldaks uue käitumise arendamine täiesti uut vooluahela paigutust. Kuid nii mitmekesiste organismide uurimisel nagu koorikloomad, merenälkjad ja nüüd võib-olla ka maod, avastavad teadlased selle koostoimed neuromodulaatoritega ja muud kemikaalid võivad moduleerida vooluringi esile kutsutud aktiivsust, pannes samad rakuvõrgustikud esile märkimisväärselt erineva käitumise.

Katz ütles, et uus uuring vihjab, et selle plastilisusega mängimine võib olla viis, kuidas uus liikumiskäitumine areneb. Võib-olla on erinevus kõristi ja keha käitumise vahel midagi pistmist nende rakkude keemilise keskkonna peente erinevustega, mitte ioonkanali enda struktuuri või ekspressiooniga.

"Paljude evolutsiooniliste modifikatsioonide puhul on teie peamine eesmärk looma mitte murda, eks?" ütles Bagnall. "Kõik, mida saate teha, et häälestada omadusi ilma sisse- ja väljalülitamiseks, on võimas vahend muutuste juhtimiseks, ilma et see oleks sügavalt kahjulik."

Pööramine ja häälestamine

See uus uuring näitab, et ühe valgu kohandamisega on võimalik häälestada motoorseid neuroneid metsikult erineva käitumise jaoks. Kuid motoorsed neuronid on vaid üks osa liikumise puslest. Need on viimane lüli ahelas, mis algab kesknärvisüsteemi ahelatega, mida nimetatakse tsentraalsete mustrite generaatoriteks ja mis loovad kõndimise või ujumisega seotud rütmilisi mustreid. Need ülesvoolu ahelad on paremini mõistetavad teistes organismides, näiteks sebrakalades. Lõgismadude puhul oleks nende väljamõistmine järgmine loogiline samm.

"Number üks puuduv lüli," ütles Katz, "on see, kuidas luua kõristi sagedust? Kust see tuleb?"

Chagnaud soovib teada saada, kas sarnane Stellschraube häälestab motoorseid neuroneid teises liigis, mida kardetakse oma hammustuse pärast. Sarnaselt lõgismadudele sooritavad ka piraajad kaht radikaalselt erineva sagedusega rütmilist liigutust: ujuvad sagedusega kuni kuus tsüklit sekundis ja vibreerivad oma ujupõit sagedusega kuni 140 tsüklit sekundis, et tekitada hääli, mis kõlavad nagu haukumine, yips ja trummipõrinad. Kuid erinevalt lõgismadudest kasutavad piraajad mõlema liikumistüübi juhtimiseks sama selgroo lõiku.

"Olen uudishimulik teada, kas see on KV7_2/3? Meil pole aimugi," ütles Chagnaud. "Kas evolutsioon leidis samale probleemile sama lahenduse?"

Tal on oma kahtlused. Ehkki ta loodab sarnase mehhanismi leidmise osas, avas üllatav ja kohati pettumust valmistav avastus lõgismadude puhul silmi, ütles ta. Evolutsioon ei ole inimdisainer, kellel on eesmärk. Selle meetodid on salapärased ja tööriistakast on tohutu. "Ja teil on väga erinevad kruvid, mida saate keerata."