Pienet parannukset neuroniin voivat ohjata eläinten liikkeen uudelleen | Quanta-lehti

Maaliskuussa 2019 junassa, joka suuntasi Münchenistä lounaaseen, neurotieteilijä Maximilian Bothe sääteli varovaista otettaan sylissään olevasta jäähdyttimestä. Se ei sisältänyt hänen lounastaan. Sisällä oli kudosta puolen tusinan kalkkarokäärmeen selkäytimestä, jotka oli pakattu jäähän – erikoistoimitus hänen uudelle tutkimusneuvojalleen Boris Chagnaud, käyttäytymisen neurotieteilijä, joka perustuu Alppien toiselle puolelle. Laboratorionsa Grazin yliopistossa Itävallassa Chagnaud ylläpitää vesieläinten eläintarhaa, jotka liikkuvat epätavallisilla tavoilla – piraijoista ja monneista, jotka rumpuvat ilmarakkoa tuottamaan ääntä, mutakippariin, jotka hyppäävät maalla kahdella evalla. Chagnaud tutkii ja vertailee näiden olentojen hermosoluja ymmärtääkseen, kuinka uusia liikkumistapoja voi kehittyä, ja Bothe toi kalkkarokäärmeen piikit mukaan yritykseen.

Eläinten liikkumistavat ovat aivan yhtä lukemattomia kuin itse eläinkunta. He kävelevät, juoksevat, uivat, ryömivät, lentävät ja liukuvat – ja jokaisessa näistä luokista löytyy valtava määrä hienovaraisesti erilaisia ​​liiketyyppejä. Sekä lokilla että kolibrilla on siivet, mutta muutoin niiden lentotekniikat ja kyvyt ovat erillään. Orkalla ja piraijoilla on molemmilla häntä, mutta ne suorittavat hyvin erilaisia ​​uintityyppejä. Jopa kävelevä tai juokseva ihminen liikuttaa kehoaan pohjimmiltaan eri tavoin.

Eläimen suorittamien liikkeiden tempon ja tyypin määrittävät biologiset laitteistot: hermot, lihakset ja luut, joiden toimintoja sitovat neurologiset rajoitteet. Esimerkiksi selkärankaisten kävelytempot määräytyvät selkärangan piirien avulla, jotka syttyvät ilman aivojen tietoista panosta. Tuon liikkeen vauhti määräytyy niitä ohjaavien hermosolujen ominaisuuksien mukaan.

Jotta eläin voisi kehittää uudenlaisen tavan liikkua, jonkin sen neurologisessa piirissä on muututtava. Chagnaud haluaa kuvata tarkasti, kuinka se tapahtuu.

”Evoluutiossa et vain keksi pyörää. Otat palaset, jotka olivat jo olemassa, ja muokkaat niitä", hän sanoi. "Kuinka muokkaat niitä komponentteja, jotka ovat yhteisiä monille eri lajeille, jotta saat uusia käyttäytymismalleja?"

Äskettäin hänen tiiminsä löysi yhden vastauksen tähän kysymykseen kokeissaan Bothen kalkkarokäärmeillä - organismilla, jolla on kaksi erillistä liiketempoa, jotka on rakennettu yhdeksi pitkäksi, hoikkaksi vartaloksi.

Heidän tuloksensa, julkaistu Current Biology tammikuussa selvitti, kuinka yhden proteiinin – kalium-ionikanavan – parissa työskenteleminen voisi saada käärmeen kolisevan hännän nopeasti laukeavat motoriset neuronit käyttäytymään enemmän kuin sen aaltoilevan kehon hitaat motoriset neuronit ja päinvastoin. Löytö on todiste siitä, että näennäisesti pienet muutokset eläimen fysiologiassa voivat muuttaa saman hermoston käskyn erilaisiksi liikkumistavoiksi.

"Se, mikä oli mielestäni erityisen ainutlaatuista ja mielenkiintoista tässä tutkimuksessa, on se, että ne keskittyivät motorisiin neuroniin, joilla oli kaksi hyvin erilaista työtä, mutta samassa eläimessä", sanoi neurotieteilijä. Martha Bagnall Washingtonin yliopistosta St. Louisissa, joka ei ollut mukana työssä. "Niiden katsominen yhden eläimen sisällä antoi heille todella mukavan, tiukan vertailun."

Löytö viittaa tapaan, jolla eläimet elämän puun yli voivat kehittää uusia käyttäytymismalleja. Oikean biologisen koneiston – tässä tapauksessa tietyn ionikanavan – säätäminen voi muuttaa suorituskykyä radikaalisti, aivan kuten äänenvoimakkuuden säätimen kiertäminen kaiuttimessa. Evolution voi vaikuttaa ensin ohjaimiin sen sijaan, että muokkaaisi koko konetta.

"Se oli erittäin puhdas tulos", sanoi Paul Katz, käyttäytymisen neurotieteilijä Massachusettsin yliopistossa Amherstissä, joka ei myöskään ollut mukana työhön. "Ja tiedätkö, kalkkarokäärmeet - ne ovat siistejä."

Asetusruuvit

Chagnaud ei ole kiinnostunut kalkkarokäärmeistä sinänsä. "Näin juuri mielenkiintoisen biologisen kysymyksen", hän sanoi. "Olen tieteen opportunisti."

Hänen tiiminsä tutkii organismeja, joiden he uskovat paljastavan sen, mitä he kutsuvat käyttäytymisen evolutiivisuudeksi Stellschrauben. Saksan sana tarkoittaa kirjaimellisesti "säätöruuvit", vaikka se on hankala käännös: Stellschrauben ovat pieniä säätimiä, jotka säätävät suuremman koneen asetuksia. Jos kone on hermosto ja asetukset ovat suoraa käyttäytymistä, Stellschrauben ovat biologisia kytkimiä, liipaimia ja nuppeja, jotka pienellä säädöllä muuttavat eläimen käyttäytymistä niin dramaattisesti, että niillä on evoluutiovaikutuksia.

Rattlesnakes tarjoaa mahdollisuuden ymmärtää, kuinka biologia muuttaa nopeusasetuksiaan yhdessä eläimessä. Tällaisista kysymyksistä kiinnostuneiden tutkijoiden on usein verrattava eri lajeja, joilla on vastakkainen käyttäytyminen - esimerkiksi lokki ja kolibri, jotka molemmat lentävät, mutta eri liikkeet eri nopeuksilla. Siinä tapauksessa on kuitenkin vaikea määrittää, mikä näiden kahden lajin monista biologisista eroista on perustana yksittäisen liikekäyttäytymisen vaihtelulle. Vertaamalla kalkkarokäärmeen hidasta liukumista sen nopeaan kalisemiseen vältetään ongelma vertailla omenoita appelsiineihin tai sardellia orkoihin.

Tämä oivallus – että kalkkarokäärmeillä on kaksi tapaa liikkua yhdessä kehossa – on syy siihen, miksi Bothe huomasi istuvansa junassa Münchenistä Graziin kylmälaukku täynnä käärmeen piikkiä.

Palattuaan Graziin hän upotti kalkkarokäärmeen selkäydinkudoksen agariin, eräänlaiseen gelatiiniin, ja teki ohuita viipaleita mikroskopiaa varten. Visuaalisesti käärmeen helistimen ja kehon motoriset neuronit näyttivät täsmälleen samalta. Mutta kun Bothe käytti elektrodia testaamaan niiden sähköisiä ominaisuuksia, hän havaitsi silmiinpistäviä eroja.

Neuronit muuttavat sähköistä aktiivisuuttaan käyttämällä solukalvoihin upotettuja pumppuja ja kanavia, jotka ohjaavat varautuneiden ionien, kuten kaliumin ja natriumin, virtausta. Lepotilassa neuronit pitävät sisäpuolensa negatiivisemmin varautuneina kuin ulkopuoliset ympäristönsä ja ylläpitävät noin -70 millivoltin lepokalvojännitteen. Sitten, kun muiden hermosolujen signaalit lisäävät tätä kalvojännitettä, solu "sytyttää" - se avaa ionikanaviensa sulkuportit ja sallii positiivisten ionien virrata sisään, mikä tuottaa nopean jännitepiikin.

Tämä jännitepiikki, jota kutsutaan toimintapotentiaaliksi, vetää neuronin solukalvoa pitkin, kunnes se saavuttaa synapsin, hermosolun ja toisen solun välisen rajapinnan, jossa se laukaisee välittäjäaineiden vapautumisen. Motoristen neuronien ja lihaksen tapauksessa välittäjäaineen asetyylikoliinin vapautuminen käskee lihaksen supistumaan.

Bothe havaitsi, että jännitekynnyksen saavuttamiseen ja käärmeen kehon motorisen neuronin laukaisemiseen tarvittava sähkövirta oli "paljon pienempi kuin helistimen motoristen neuronien", hän sanoi. "Sinun täytyy laittaa enemmän virtaa [helinään] hermosoluon, jotta se laukaisu." Ja verrattuna helistimen motorisiin neuroniin, kehon motoriset neuronit reagoivat hitaammin.

Koska helistinhermosolut laukaisevat vain vastauksena suuriin, ilmeisiin signaaleihin, ne eivät todennäköisesti katkaise sytytystä neurologisen taustamelun heikon vaihtelun vuoksi. Ne ovat vähemmän hyppiviä ja tarkempia, minkä ansiosta ne voivat välittää korkeataajuisia signaaleja.

Kun tämä ero helistimen ja kehon motoristen hermosolujen välillä on tunnistettu, seuraava askel oli löytää Stellschrauben, joka hallitsee sitä.

Yritys ja erehdys

Neuronit ovat soluja, eivät koneita, mikä tarkoittaa, että niillä on sotkuinen biologinen monimutkaisuus. "Ruuvi" Bothe ja Chagnaud etsivät, mikä ohjasi motorisen neuronin sähköisiä ominaisuuksia, jotka voisivat olla mitä tahansa kalvoproteiinin rakenteen hienovaraisesta säädöstä täysin erilaisten ionipumppujen ja -kanavien ilmentymiseen. Silti tutkijoilla oli hyvä syy uskoa, että heidän Stellschraubeninsa sisältäisi kalium-ionikanavan. Aiemmat neuronitutkimukset ovat osoittaneet, että nämä kanavat ovat tärkeitä hermosolujen tarkkuuden virittämisessä, mutta niiden rooli erityisesti motoristen hermosolujen käyttäytymisen säätämisessä oli epäselvä.

"Sanotaan, että evoluution käytettävissä on tietty työkalupakki", Bothe sanoi. "Joten tässä on ehkä samat ionikanavat."

Tarkan kanavan löytäminen kesti vuosia yrityksen ja erehdyksen. Vertaamalla sitä, kuinka kehon ja helistinsolut ilmensivät kaliumkanavien geenejä, ei paljastanut merkittäviä eroja. Joten Chagnaud ja Bothe kynnisivät eteenpäin testaamalla tiettyjen kanavien estämiseen suunniteltujen lääkkeiden vaikutuksia. Lopulta he löysivät kanavan, joka estettynä synnytti erilaisia ​​liikenopeuksia: kaliumkanavan nimeltä KV7_2/3.

Bothe suoritti sitten tarkempia kokeita käyttämällä huumeita kanavan toiminnan tehostamiseen ja estämiseen. Kun hän rajoitti kanavaa helistimen motorisissa neuroneissa, ne ampuivat hitaammin ja epätarkemmin, ikään kuin ne olisivat kehon motorisia neuroneja. Sitten, kun hän tehosti kaliumionikanavaa, hän havaitsi päinvastaisen vaikutuksen: kehon motoriset neuronit laukaisivat nopeasti ja tarkasti, kuten helistimen motoriset neuronit.

Oli kuin tämä ionikanava olisi kellotaulu, joka voisi kääntää yhden neuronityypin toiseen. Mutta mikä todellisuudessa erosi tässä proteiinissa käärmeen kehossa ja helistimessä?

Aluksi tutkijat ajattelivat, että helistimen motorisissa neuroneissa täytyy olla ylimääräistä KV7:ää_2/3 kaliumkanavat. Jos helistinneuroneilla olisi enemmän kanavia, tutkijat ajattelivat, että ne voisivat purkaa ioneja nopeammin, mikä pienentäisi jännitettä ja valmistaisi kanavat palamaan nopeasti uudelleen.

Asian selvittämiseksi Bothe ja Chagnaud erottivat ja sekvensoivat RNA:ta molemmista kalkkarokäärmeen motorisista neuroneista ja lähettivät tiedot Jason Gallant, evoluutiobiologi Michigan State Universitystä, jotta hän voisi vertailla KV7:n ilmentymistä_2/3 kanavageeni kahden kudoksen välillä. KV7:n geeni_2/3 kanavat ovat samat jokaisessa eläimen kehon solussa – mutta jos helisineuroneissa olisi enemmän KV7_2/3 kanavia, tutkijat odottavat näkevänsä korkeamman geeniekspression kyseisessä kudoksessa.

Valitettavasti niiden yksinkertaista selitystä ei todistettu. "Näiden kaliumkanavien geenien ilmentymisen tasossa ei todellakaan ole eroa, mikä oli pettymys", Gallant sanoi. "Mutta mielestäni se avaa realistisemman näkemyksen biologiasta."

Geenien ilmentymisen vaihtelut olisivat antaneet yksinkertaisen, avoimen tavan selittää, kuinka kalkkarokäärmeen motoristen neuronien evoluutioruuvit säädetään. Mutta biologia tarjoaa muita mahdollisuuksia. Chagnaud ja Bothe spekuloivat, että sen jälkeen kun kanavaproteiinit on rakennettu geneettisestä suunnitelmasta, ne voitaisiin modifioida hieman erilaisiksi muodoiksi, jotka hallitsevat ioneja eri tavalla. Lisätutkimusta tarvitaan yksityiskohtien selvittämiseksi - säätimen löytämiseksi, joka säätää säädintä.

Omalta osaltaan Katz ei pitänyt tulosta lainkaan pettymyksenä. "Joten he eivät nähneet [muutosta] geeniekspressiossa. Se oli vastaus, jota he odottivat", hän sanoi. "Mutta tosiasia on, että se on hieno tulos."

Monien vuosikymmenten ajan tutkijat ovat olettaneet, että moottoripiirit "ovat olemassa sellaisena kuin niitä käytetään", Katz sanoi - mikä tarkoittaa, että kävelyn tai uinnin kaltaisen käyttäytymisen aloittaminen on yksinkertaisesti kysymys oikean piirin käynnistämisestä. Tässä näkemyksessä uuden käyttäytymisen kehittäminen vaatisi kokonaan uuden piiriasettelun. Mutta niinkin monimuotoisten organismien tutkimuksissa kuin äyriäiset, etanoita ja nyt mahdollisesti käärmeitä, tutkijat ovat havainneet sen vuorovaikutus neuromodulaattoreiden kanssa ja muut kemikaalit voivat moduloida aktiivisuutta, jonka virtapiiri herättää, jolloin samat soluverkostot tuottavat huomattavasti erilaisia ​​käyttäytymismalleja.

Uusi tutkimus, Katz sanoi, vihjaa, että tällä plastisuudella leikkiminen voisi olla tapa kehittää uusia liikekäyttäytymistä. Ehkä ero helistimen ja kehon käyttäytymisen välillä liittyy jonkin verran hienovaraisiin eroihin solujen kemiallisessa ympäristössä, ei itse ionikanavan rakenteessa tai ilmentymisessä.

"Monien evoluutiomuunnosten kohdalla ensisijainen tavoitteesi on olla rikkomatta eläintä, eikö niin?" Bagnall sanoi. "Kaikki, mitä voit tehdä, mikä virittää ominaisuuksia ilman, että siitä tulee virtakytkintä, on tehokas tapa saada muutos aikaan ilman, että se on syvästi haitallista."

Kääntäminen ja viritys

Tämä uusi tutkimus osoittaa, että on mahdollista virittää motoriset neuronit villisti erilaiseen käyttäytymiseen säätämällä yhtä proteiinia. Mutta motoriset neuronit ovat vain yksi pala palapelistä. Ne ovat viimeinen lenkki ketjussa, joka alkaa keskushermoston piireistä, jotka tunnetaan keskuskuvioiden generaattoreina ja jotka luovat kävelyyn tai uimiseen liittyvät rytmiset kuviot. Nämä ylävirran piirit ymmärretään paremmin muissa organismeissa, kuten seeprakaloissa. Kalkkarokäärmeissä niiden hämmennys olisi seuraava looginen askel.

"Yksi puuttuva lenkki", Katz sanoi, "on kuinka luot helistimen taajuuden? Mistä se tulee?"

Chagnaud on innokas saamaan selville, virittääkö samanlainen Stellschraube motorisia neuroneja toisessa lajissa, jota pelätään puremastaan. Kuten kalkkarokäärmeet, piraijat suorittavat kahta rytmistä liikettä radikaalisti eri taajuuksilla: uintia jopa kuuden syklin taajuudella ja värähtelemällä uimarakkojaan jopa 140 kierrosta sekunnissa taajuuksilla, jotka aiheuttavat ääniä, jotka kuulostavat haukkuilta, jypsiltä ja rummun soittoa. Toisin kuin kalkkarokäärmeet, piraijat käyttävät samaa selkärangansa osaa molempien liiketyyppien ohjaamiseen.

"Olen utelias tietämään, onko se KV7_2/3? Meillä ei ole aavistustakaan, Chagnaud sanoi. "Löysikö evoluutio saman ratkaisun samaan ongelmaan?"

Hänellä on epäilyksensä. Vaikka hän toivoo löytävänsä samanlaisen mekanismin, yllättävä - ja toisinaan turhauttava - löytö kalkkarokäärmeistä "avaa silmät", hän sanoi. Evoluutio ei ole inhimillinen suunnittelija, jolla on päämäärä mielessä. Sen menetelmät ovat salaperäisiä, ja sen työkalupakki on laaja. "Ja sinulla on hyvin erilaisia ​​ruuveja, joita voit kääntää."