ترفندهای کوچک برای نورون ها می توانند حرکت حیوانات را دوباره سیم کشی کنند | مجله کوانتا

در مارس 2019، این عصب شناس در قطاری که از مونیخ به سمت جنوب غربی حرکت می کرد ماکسیمیلیان بوته محکم گرفتنش را روی کولری که در بغلش بود تنظیم کرد. حاوی ناهار او نبود. داخل آن بافتی از نیم دوجین نخاع مار زنگی بسته بندی شده در یخ وجود داشت - یک تحویل ویژه برای مشاور تحقیقاتی جدید او بوریس شاگنود، یک متخصص علوم اعصاب رفتاری در آن سوی کوه های آلپ. Chagnaud در آزمایشگاه خود در دانشگاه گراتس در اتریش، باغی از حیوانات آبزی نگهداری می‌کند که به روش‌های غیرعادی حرکت می‌کنند - از پیرانا و گربه‌ماهی که بر مثانه‌های هوا می‌کوبند و صدا تولید می‌کنند تا گل‌افکن‌هایی که روی خشکی روی دو باله می‌پرند. Chagnaud مدارهای عصبی این موجودات را مطالعه و مقایسه می کند تا بفهمد که چگونه روش های جدید حرکت ممکن است تکامل یابد، و Bothe خارهای مار زنگی خود را برای پیوستن به این تلاش آورده بود.

راه های حرکت حیوانات به اندازه خود قلمرو حیوانات بی شمار است. آن‌ها راه می‌روند، می‌دوند، شنا می‌کنند، می‌خزند، پرواز می‌کنند و لغزنده می‌شوند - و در هر یک از این دسته‌ها تعداد بسیار زیادی از انواع مختلف حرکت وجود دارد. یک مرغ دریایی و یک مرغ مگس خوار هر دو بال دارند، اما در غیر این صورت تکنیک ها و توانایی های پرواز آنها قطب هایی از هم هستند. اورکاها و پیراناها هر دو دم دارند، اما انواع بسیار متفاوتی از شنا را انجام می دهند. حتی یک انسان در حال راه رفتن یا دویدن بدن خود را به روش های اساسی متفاوت حرکت می دهد.

سرعت و نوع حرکاتی که یک حیوان می تواند انجام دهد توسط سخت افزار بیولوژیکی تنظیم می شود: اعصاب، عضله و استخوان که عملکرد آنها توسط محدودیت های عصبی محدود می شود. به عنوان مثال، سرعت راه رفتن مهره داران توسط مدارهایی در ستون فقرات آنها تنظیم می شود که بدون هیچ ورودی آگاهانه از مغز شلیک می کند. سرعت آن حرکت توسط خواص مدارهای عصبی که آنها را کنترل می کنند تعیین می شود.

برای اینکه یک حیوان روش جدیدی برای حرکت ایجاد کند، چیزی در مدار عصبی آن باید تغییر کند. Chagnaud می خواهد دقیقا توضیح دهد که چگونه این اتفاق می افتد.

"در تکامل، شما فقط چرخ را اختراع نمی کنید. شما قطعاتی را که قبلاً وجود داشت، می‌گیرید و آنها را اصلاح می‌کنید.» "چگونه آن مولفه هایی را که در بسیاری از گونه های مختلف به اشتراک گذاشته شده اند را تغییر می دهید تا رفتارهای جدیدی ایجاد کنید؟"

اخیراً، تیم او در آزمایش‌های خود با مارهای زنگی Bothe یک پاسخ برای این سؤال پیدا کردند - موجودی که دارای دو سرعت حرکت متمایز در یک بدن بلند و باریک است.

نتایج آنها، منتشر شده در زیست شناسی کنونی در ژانویه، متوجه شد که چگونه سرهم‌کردن یک پروتئین - یک کانال یونی پتاسیم - می‌تواند باعث شود که نورون‌های حرکتی سریع‌السیر از دم جغجغه‌دار یک مار بیشتر شبیه نورون‌های حرکتی تنبل بدن موج‌دار آن رفتار کنند و بالعکس. این یافته شواهدی است مبنی بر اینکه تغییرات ظاهراً جزئی در فیزیولوژی حیوان می تواند همان فرمان را از سیستم عصبی به روش های مختلف حرکت ترجمه کند.

این عصب شناس گفت: "آنچه که من فکر می کردم در مورد این مطالعه منحصر به فرد و جالب بود این است که آنها بر روی نورون های حرکتی با دو شغل بسیار متفاوت، اما در یک حیوان متمرکز شدند." مارتا بگنال از دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس، که در این کار دخالتی نداشت. "نگاه کردن آنها در داخل یک حیوان، این مقایسه بسیار خوب و محکم را به آنها داد."

این یافته به راهی اشاره می کند که حیوانات در سراسر درخت زندگی می توانند رفتارهای جدیدی را ایجاد کنند. بهینه سازی قطعه مناسب از ماشین آلات بیولوژیکی - در این مورد، یک کانال یونی خاص - می تواند عملکرد را به شدت تغییر دهد، درست مانند چرخاندن دکمه تنظیم صدا در یک بلندگو. Evolution می تواند ابتدا روی کنترل ها عمل کند، نه اینکه کل دستگاه را دوباره کار کند.

گفت: "این یک نتیجه بسیار تمیز بود." پل کاتز، یک متخصص علوم اعصاب رفتاری در دانشگاه ماساچوست، آمهرست، که او نیز در این کار دخالتی نداشت. "و، می دانید، مارهای زنگی - آنها باحال هستند."

پیچ های تنظیم

Chagnaud به خودی خود علاقه ای به مار زنگی ندارد. او گفت: "من فقط یک سوال بیولوژیکی جالب دیدم." "من یک فرصت طلب علمی هستم."

تیم او ارگانیسم‌هایی را مطالعه می‌کند که فکر می‌کنند آنچه را که آنها رفتار تکاملی می‌نامند، آشکار خواهند کرد استلشراوبن. لغت آلمانی به معنای واقعی کلمه به معنای "پیچ های تنظیم کننده" است، اگرچه این ترجمه ناخوشایند است: Stellschrauben کنترل های کوچکی هستند که تنظیمات یک ماشین بزرگتر را تنظیم می کنند. اگر دستگاه سیستم عصبی باشد و تنظیمات رفتار مستقیم باشد، Stellschrauben سوئیچ‌ها، ماشه‌ها و دستگیره‌های بیولوژیکی هستند که تنها با کمی دستکاری، رفتار حیوان را به‌طور چشمگیری تغییر می‌دهند تا پیامدهای تکاملی داشته باشند.

مارهای زنگی فرصتی برای درک اینکه چگونه زیست شناسی تنظیمات سرعت خود را در یک حیوان تغییر می دهد، ارائه می دهد. محققان علاقه مند به چنین سؤالاتی اغلب باید گونه های مختلف را با رفتارهای متضاد مقایسه کنند - مثلاً مرغ دریایی و مرغ مگس خوار، که هر دو پرواز می کنند، اما با حرکات متفاوت با سرعت های متفاوت. با این حال، در این مورد، تعیین این که کدام یک از بسیاری از تمایزات بیولوژیکی بین این دو گونه، زیربنای تغییر در یک رفتار حرکتی واحد است، دشوار است. مقایسه سر خوردن آهسته مار زنگی با جغجغه سریع آن، از مشکل مقایسه سیب با پرتقال یا آنچوی با ارکا جلوگیری می کند.

این بینش - که مارهای زنگی دو راه برای حرکت در یک بدن دارند - به همین دلیل است که Bothe خود را در قطاری از مونیخ به گراتس با یک خنک کننده پر از خارهای مار نشسته است.

او در گراتس، بافت ستون فقرات مار زنگی را در آگار، نوعی ژلاتین، جاسازی کرد و برش هایی نازک مانند تیغ برای میکروسکوپ ساخت. از نظر بصری، نورون های حرکتی جغجغه و بدن مار دقیقاً یکسان به نظر می رسید. اما زمانی که Bothe از یک الکترود برای آزمایش خواص الکتریکی آنها استفاده کرد، تفاوت های چشمگیری پیدا کرد.

نورون ها فعالیت الکتریکی خود را با استفاده از پمپ ها و کانال های تعبیه شده در غشای سلولی خود تغییر می دهند تا جریان یون های باردار مانند پتاسیم و سدیم را کنترل کنند. در حالت استراحت، نورون‌ها درون خود را با بار منفی‌تری نسبت به محیط بیرونی خود نگه می‌دارند و ولتاژ غشایی در حال استراحت را حدود ۷۰- میلی‌ولت نگه می‌دارند. سپس، هنگامی که سیگنال‌های نورون‌های دیگر این ولتاژ غشایی را افزایش می‌دهند، سلول "آتش" می‌گیرد - دریچه‌های سیلابی کانال‌های یونی خود را باز می‌کند و به یون‌های مثبت اجازه می‌دهد تا در داخل جریان پیدا کنند و یک افزایش سریع ولتاژ تولید می‌کنند.

این افزایش ولتاژ، که پتانسیل عمل نامیده می‌شود، در امتداد غشای سلولی نورون می‌پیچد تا به سیناپس برسد، رابط بین نورون و سلول دیگر، جایی که باعث آزاد شدن مواد شیمیایی پیام‌رسان به نام انتقال‌دهنده‌های عصبی می‌شود. در مورد نورون های حرکتی و عضله، آزاد شدن انتقال دهنده عصبی استیل کولین به عضله می گوید که منقبض شود.

او گفت که هر دو متوجه شدند که جریان الکتریکی مورد نیاز برای رسیدن به آستانه ولتاژ و راه اندازی نورون حرکتی بدن مار "خیلی کمتر از نورون های حرکتی جغجغه" است. "شما باید جریان بیشتری را به نورون [جغجغه] وارد کنید تا فعال شود." و در مقایسه با نورون های حرکتی جغجغه، نورون های حرکتی بدن کندتر واکنش نشان دادند.

از آنجایی که نورون‌های جغجغه تنها در پاسخ به سیگنال‌های بزرگ و آشکار شلیک می‌شوند، به دلیل نوسانات ضعیف در نویز پس‌زمینه عصبی، احتمال خطای نادرست آن‌ها کمتر است. آنها پرش کمتر و دقیق تر هستند، که به آنها اجازه می دهد سیگنال های فرکانس بالاتر را رله کنند.

با شناسایی این تفاوت بین نرون‌های جغجغه و حرکتی بدن، قدم بعدی یافتن Stellschrauben بود که آن را کنترل می‌کرد.

ازمایش و خطا

نورون ها سلول هستند، نه ماشین، به این معنی که پیچیدگی بیولوژیکی نامرتب دارند. «پیچ» هر دو و شاگنود به دنبال آن بودند که کنترل‌کننده‌ی ویژگی‌های الکتریکی نورون حرکتی می‌تواند هر چیزی باشد، از یک تغییر ظریف در ساختار یک پروتئین غشایی تا بیان مجموعه‌ای کاملاً متفاوت از پمپ‌ها و کانال‌های یونی. با این حال، محققان دلایل خوبی داشتند که فکر می کردند Stellschrauben آنها دارای یک کانال یونی پتاسیم است. مطالعات قبلی روی نورون‌ها نشان داده بود که این کانال‌ها برای تنظیم دقت نورون‌ها مهم هستند، اما نقش آنها در تنظیم رفتار نورون‌های حرکتی مشخصاً مشخص نبود.

بوته گفت: «مثلاً یک جعبه ابزار خاص وجود دارد که برای تکامل در دسترس است. بنابراین شاید همان کانال های یونی در اینجا باشد.

یافتن کانال دقیق سال ها آزمون و خطا طول کشید. مقایسه نحوه بیان ژن‌های سلول‌های بدن و جغجغه برای کانال‌های پتاسیم هیچ تفاوت معنی‌داری را نشان نداد. بنابراین Chagnaud و Bothe با آزمایش اثرات داروهایی که برای مسدود کردن انواع خاصی از کانال‌ها طراحی شده‌اند، پیشرفت کردند. در نهایت، آنها کانالی را پیدا کردند که در صورت مسدود شدن، سرعت های حرکت متفاوتی ایجاد می کرد: یک کانال پتاسیم به نام KV7._2/3.

سپس هر دو آزمایش‌های دقیق‌تری انجام دادند و از داروها برای تقویت و ممانعت از فعالیت کانال استفاده کردند. هنگامی که او کانال را در نورون‌های حرکتی جغجغه محدود کرد، آنها به آرامی و با دقت بیشتری شلیک کردند، گویی نورون‌های حرکتی بدن هستند. سپس، هنگامی که او کانال یون پتاسیم را تقویت کرد، اثر معکوس را مشاهده کرد: نورون های حرکتی بدن، مانند نورون های حرکتی جغجغه، سریع و دقیق شلیک می کنند.

انگار این کانال یونی صفحه‌ای بود که می‌توانست یک نوع نورون را به نوع دیگر بپیچاند. اما در واقع چه تفاوتی در مورد این پروتئین در بدن و جغجغه مار وجود داشت؟

در ابتدا، محققان فکر کردند که نورون های حرکتی جغجغه باید KV7 اضافی داشته باشند_2/3 کانال های پتاسیم دانشمندان به این نتیجه رسیدند که اگر نورون‌های جغجغه کانال‌های بیشتری داشته باشند، می‌توانند یون‌ها را سریع‌تر تخلیه کنند و ولتاژ را پایین بیاورند تا کانال‌ها برای شلیک سریع دوباره آماده شوند.

برای کشف این موضوع، Bothe و Chagnaud RNA را از هر دو نوع نورون حرکتی مار زنگی استخراج و توالی‌یابی کردند و داده‌ها را به جیسون گالانت، یک زیست شناس تکاملی در دانشگاه ایالتی میشیگان، بنابراین او می تواند بیان KV7 را مقایسه کند._2/3 ژن کانال بین دو بافت ژن KV7_2/3 کانال ها در تمام سلول های بدن حیوان یکسان است - اما اگر نورون های جغجغه دار KV7 بیشتری داشته باشند._2/3 محققان انتظار دارند که بیان ژن بالاتری را در آن بافت ببینند.

افسوس که توضیح ساده آنها ثابت نشد. گالانت گفت: «واقعاً هیچ تفاوتی در سطح بیان ژن در این کانال‌های پتاسیم وجود ندارد، که ناامیدکننده بود. اما من فکر می‌کنم که دیدگاه واقع‌بینانه‌تری از زیست‌شناسی باز می‌کند.»

تغییرات در بیان ژن می تواند یک راه ساده و باز و بسته را برای توضیح چگونگی تنظیم پیچ های تکاملی روی نورون های حرکتی مار زنگی ارائه دهد. اما زیست شناسی امکانات دیگری را ارائه می دهد. Chagnaud و Bothe بر این باورند که پس از اینکه پروتئین‌های کانال از طرح ژنتیکی ساخته شدند، می‌توان آن‌ها را به اشکال کمی تغییر داد که یون‌ها را متفاوت مدیریت می‌کنند. تحقیقات بیشتری برای مشخص کردن جزئیات مورد نیاز است - برای یافتن کنترلی که کنترل را تنظیم می کند.

کاتز به نوبه خود نتیجه را اصلا ناامید کننده ندانست. بنابراین آنها تغییری در بیان ژن مشاهده نکردند. این پاسخی بود که آنها انتظار داشتند.» اما واقعیت این است که این یک نتیجه جالب است.

کاتز گفت: برای چندین دهه، محققان فرض می‌کردند که مدارهای موتوری «همانطور که مورد استفاده قرار می‌گیرند وجود دارند» - به این معنی که شروع رفتاری مانند راه رفتن یا شنا کردن صرفاً به روشن کردن مدار درست بستگی دارد. در این دیدگاه، تکامل یک رفتار جدید نیاز به یک طرح مدار کاملاً جدید دارد. اما در مطالعات موجودات مختلف به عنوان سخت پوستان, حلزون بی صدف دریایی و اکنون احتمالاً مارها، محققان در حال یافتن آن هستند تعامل با نورومدولاتورها و سایر مواد شیمیایی می‌توانند فعالیتی را که یک مدار برمی‌انگیزد تعدیل کنند و شبکه‌های سلولی مشابهی را به سمت ایجاد رفتارهای متفاوتی سوق دهند.

کاتز گفت، مطالعه جدید اشاره می کند که بازی با این انعطاف پذیری می تواند راهی برای تکامل رفتارهای حرکتی جدید باشد. شاید تفاوت بین جغجغه و رفتار بدن به تفاوت‌های ظریف در محیط شیمیایی سلول‌ها مربوط باشد، نه ساختار یا بیان خود کانال یونی.

"برای بسیاری از تغییرات تکاملی، هدف اصلی شما این است که حیوان را نشکنید، درست است؟" بگنال گفت. «هر کاری که بتوانید انجام دهید و بدون اینکه کلید روشن/خاموش شود، ویژگی‌ها را تنظیم می‌کند، وسیله‌ای قدرتمند برای ایجاد تغییر است، بدون اینکه عمیقاً مضر باشد.»

چرخش و تنظیم

این مطالعه جدید نشان می‌دهد که می‌توان نورون‌های حرکتی را برای رفتارهای بسیار متفاوت با تغییر یک پروتئین تنظیم کرد. اما نورون های حرکتی تنها یک تکه از پازل حرکت هستند. آنها آخرین حلقه در زنجیره ای هستند که با مدارهایی در سیستم عصبی مرکزی به نام ژنراتورهای الگوی مرکزی شروع می شود که الگوهای ریتمیک مربوط به راه رفتن یا شنا را ایجاد می کند. این مدارهای بالادست در موجودات دیگر مانند ماهی گورخر بهتر درک می شوند. در مارهای زنگی، گیج کردن آنها گام منطقی بعدی خواهد بود.

کاتز گفت: «حلقه گمشده شماره یک این است که چگونه فرکانس را برای جغجغه ایجاد می‌کنید؟ این از کجا می آید؟"

Chagnaud مشتاق است تا دریابد که آیا Stellschraube مشابه نورون های حرکتی گونه های دیگری را که از نیشش می ترسند تنظیم می کند یا خیر. مانند مار زنگی، پیراناها دو حرکت موزون را با فرکانس‌های کاملاً متفاوت اجرا می‌کنند: شنا با فرکانس حداکثر شش چرخه در ثانیه، و لرزاندن مثانه‌های شنای خود با فرکانس‌های حداکثر 140 چرخه در ثانیه برای ایجاد صداهایی مانند پارس، یپس ضربات طبل با این حال، بر خلاف مارهای زنگی، پیراناها از همان بخش ستون فقرات خود برای کنترل هر دو نوع حرکت استفاده می کنند.

کنجکاو هستم بدانم آیا KV7 خواهد بود_2/3? ما هیچ ایده ای نداریم،” Chagnaud گفت. "آیا تکامل همان راه حل را برای همان مشکل پیدا کرد؟"

او شک دارد. او گفت که اگرچه او به یافتن مکانیسم مشابهی امیدوار است، اما کشف شگفت‌انگیز - و در مواقعی ناامیدکننده - در مارهای زنگی "چشم بازکننده بود." تکامل یک طراح انسانی با هدف در ذهن نیست. روش های آن مرموز است و جعبه ابزار آن گسترده است. "و شما پیچ های بسیار متفاوتی دارید که می توانید آنها را بچرخانید."