Perubahan Kecil pada Neuron Dapat Mengubah Gerakan Hewan | Majalah Kuanta

Pada bulan Maret 2019, di kereta menuju barat daya dari Munich, ahli saraf Maximilian Keduanya mengatur cengkeramannya yang hati-hati pada pendingin di pangkuannya. Itu tidak berisi makan siangnya. Di dalamnya ada jaringan dari setengah lusin sumsum tulang belakang ular berbisa yang dikemas dalam es — kiriman khusus untuk penasihat penelitian barunya Boris Chagnaud, seorang ahli saraf perilaku yang tinggal di sisi lain Pegunungan Alpen. Di laboratoriumnya di Universitas Graz di Austria, Chagnaud memelihara sejumlah hewan air yang bergerak dengan cara yang tidak biasa — mulai dari piranha dan ikan lele yang menggerakkan kantung udara untuk menghasilkan suara hingga ikan mudskipper yang melompat-lompat di darat dengan dua sirip. Chagnaud mempelajari dan membandingkan sirkuit saraf makhluk-makhluk ini untuk memahami bagaimana cara-cara baru bergerak dapat berevolusi, dan Bothe membawa duri ular deriknya untuk bergabung dalam upaya tersebut.

Cara hewan bergerak sama banyaknya dengan dunia hewan itu sendiri. Mereka berjalan, berlari, berenang, merangkak, terbang, dan meluncur – dan di dalam masing-masing kategori tersebut terdapat sejumlah besar jenis gerakan yang sedikit berbeda. Burung camar dan burung kolibri sama-sama mempunyai sayap, namun teknik dan kemampuan terbang mereka sangat berbeda. Orca dan piranha sama-sama memiliki ekor, tetapi cara berenang mereka sangat berbeda. Bahkan manusia yang berjalan atau berlari menggerakkan tubuhnya dengan cara yang berbeda secara mendasar.

Tempo dan jenis gerakan yang dapat dilakukan hewan ditentukan oleh perangkat biologis: saraf, otot, dan tulang yang fungsinya terikat oleh batasan neurologis. Misalnya, tempo berjalan vertebrata diatur oleh sirkuit di tulang belakang mereka yang menyala tanpa adanya masukan sadar dari otak. Laju gerakan tersebut ditentukan oleh sifat-sifat sirkuit saraf yang mengendalikannya.

Agar hewan dapat mengembangkan cara bergerak yang baru, sesuatu dalam sirkuit neurologisnya harus berubah. Chagnaud ingin menjelaskan dengan tepat bagaimana hal itu terjadi.

“Dalam evolusi, Anda tidak hanya menciptakan roda. Anda mengambil bagian-bagian yang sudah ada, dan Anda memodifikasinya,” katanya. “Bagaimana Anda memodifikasi komponen-komponen yang dimiliki oleh banyak spesies berbeda untuk menghasilkan perilaku baru?”

Baru-baru ini, timnya menemukan satu jawaban atas pertanyaan ini dalam eksperimen mereka dengan ular derik Bothe – sebuah organisme yang memiliki dua tempo gerakan berbeda yang menyatu dalam satu tubuh yang panjang dan ramping.

Hasil mereka, diterbitkan dalam Sekarang Biologi pada bulan Januari, mengidentifikasi bagaimana mengutak-atik satu protein – saluran ion kalium – dapat membuat neuron motorik yang bekerja cepat dari ekor ular berperilaku lebih seperti neuron motorik lamban dari tubuhnya yang bergelombang, dan sebaliknya. Temuan ini merupakan bukti bahwa perubahan kecil pada fisiologi hewan dapat menerjemahkan perintah yang sama dari sistem saraf ke dalam cara bergerak yang berbeda.

“Apa yang menurut saya sangat unik dan menarik tentang penelitian ini adalah bahwa mereka berfokus pada neuron motorik dengan dua pekerjaan yang sangat berbeda, tetapi pada hewan yang sama,” kata ahli saraf tersebut. Martha Bagnall dari Universitas Washington di St. Louis, yang tidak terlibat dalam pekerjaan ini. “Melihat mereka dalam satu hewan memberi mereka perbandingan yang sangat bagus dan ketat.”

Temuan ini menunjukkan cara hewan di seluruh pohon kehidupan dapat mengembangkan perilaku baru. Menyesuaikan bagian yang tepat dari mesin biologis – dalam hal ini, saluran ion tertentu – dapat mengubah kinerja secara drastis, seperti halnya memutar tombol volume pada loudspeaker. Evolusi dapat bertindak terlebih dahulu pada kontrolnya, daripada mengerjakan ulang seluruh mesin.

“Itu adalah hasil yang sangat bersih,” kata Paul Katz, seorang ahli saraf perilaku di Universitas Massachusetts, Amherst, yang juga tidak terlibat dalam penelitian ini. “Dan, tahukah Anda, ular derik — mereka keren.”

Mengatur Sekrup

Chagnaud tidak tertarik pada ular derik itu sendiri. “Saya baru saja melihat pertanyaan biologis yang menarik,” katanya. “Saya seorang oportunis sains.”

Timnya mempelajari organisme yang menurut mereka akan mengungkap apa yang mereka sebut evolusi perilaku Stellschrauben. Kata dalam bahasa Jerman secara harfiah berarti “pengaturan sekrup”, meskipun terjemahannya tidak tepat: Stellschrauben adalah kontrol kecil yang menyesuaikan pengaturan mesin yang lebih besar. Jika mesin adalah sistem saraf dan pengaturannya adalah perilaku langsung, maka Stellschrauben adalah saklar, pemicu, dan tombol biologis yang, hanya dengan sedikit penyesuaian, dapat mengubah perilaku hewan secara dramatis sehingga menimbulkan konsekuensi evolusioner.

Ular derik memberikan peluang untuk memahami bagaimana biologi mengubah pengaturan kecepatannya pada seekor hewan. Para peneliti yang tertarik dengan pertanyaan semacam itu sering kali harus membandingkan spesies berbeda yang memiliki perilaku berbeda – misalnya, burung camar dan burung kolibri, keduanya terbang, namun dengan gerakan berbeda dan kecepatan berbeda. Namun, dalam hal ini sulit untuk menentukan perbedaan biologis mana yang mendasari kedua spesies tersebut yang mendasari variasi perilaku pergerakan tunggal. Membandingkan ular berbisa yang merayap lambat dengan deraknya yang cepat akan menghindari masalah membandingkan apel dengan jeruk, atau ikan teri dengan orca.

Pemahaman tersebut – bahwa ular derik memiliki dua cara bergerak dalam satu tubuh – adalah alasan mengapa Bothe mendapati dirinya duduk di kereta dari Munich ke Graz dengan pendingin yang penuh duri ular.

Kembali ke Graz, ia memasukkan jaringan tulang belakang ular berbisa ke dalam agar, sejenis gelatin, dan membuat irisan setipis silet untuk mikroskop. Secara visual, neuron motorik dari mainan dan tubuh ular tampak sama persis. Namun ketika Bothe menggunakan elektroda untuk menguji sifat listriknya, dia menemukan perbedaan yang mencolok.

Neuron mengubah aktivitas listriknya menggunakan pompa dan saluran yang tertanam di membran selnya untuk mengontrol aliran ion bermuatan seperti kalium dan natrium. Saat istirahat, neuron menjaga bagian dalam neuronnya lebih bermuatan negatif dibandingkan lingkungan luarnya, sehingga mempertahankan tegangan membran istirahat sekitar −70 milivolt. Kemudian, ketika sinyal dari neuron lain meningkatkan tegangan membran ini, sel “terbakar” – sel tersebut membuka pintu saluran ionnya dan memungkinkan ion positif mengalir ke dalam, menghasilkan lonjakan tegangan yang cepat.

Lonjakan tegangan ini, yang disebut potensial aksi, berjalan di sepanjang membran sel neuron hingga mencapai sinaps, antarmuka antara neuron dan sel lain, yang memicu pelepasan bahan kimia pembawa pesan yang disebut neurotransmiter. Dalam kasus neuron motorik dan otot, pelepasan neurotransmitter asetilkolin memberitahu otot untuk berkontraksi.

Bothe menemukan bahwa arus listrik yang dibutuhkan untuk mencapai ambang tegangan dan memicu neuron motorik tubuh ular “jauh lebih rendah dibandingkan dengan neuron motorik rattle,” katanya. “Anda perlu memasukkan lebih banyak arus ke dalam neuron [rattle] agar dapat menyala.” Dan dibandingkan dengan neuron motorik rattle, neuron motorik tubuh bereaksi lebih lamban.

Karena neuron rattle hanya aktif sebagai respons terhadap sinyal yang besar dan jelas, kecil kemungkinannya untuk misfire karena lemahnya fluktuasi kebisingan latar belakang neurologis. Mereka tidak terlalu gelisah dan lebih presisi, sehingga memungkinkan mereka menyampaikan sinyal frekuensi lebih tinggi.

Setelah mengidentifikasi perbedaan antara neuron motorik mainan dan tubuh, langkah selanjutnya adalah menemukan Stellschrauben yang mengendalikannya.

Trial and Error

Neuron adalah sel, bukan mesin, yang berarti mereka mempunyai kompleksitas biologis yang berantakan. “Sekrup” yang dicari Bothe dan Chagnaud yang mengendalikan sifat kelistrikan neuron motorik bisa berupa apa saja, mulai dari perubahan halus pada struktur protein membran hingga ekspresi rangkaian pompa dan saluran ion yang sama sekali berbeda. Namun, para peneliti punya alasan kuat untuk berpikir Stellschrauben mereka akan melibatkan saluran ion kalium. Penelitian sebelumnya mengenai neuron telah menetapkan bahwa saluran ini penting untuk menyetel presisi neuron, namun perannya dalam menyesuaikan perilaku neuron motorik secara spesifik masih belum jelas.

“Katakanlah, ada perangkat tertentu yang tersedia untuk evolusi,” kata Bothe. “Jadi mungkin saluran ionnya sama di sini.”

Menemukan saluran yang tepat membutuhkan percobaan dan kesalahan selama bertahun-tahun. Membandingkan bagaimana sel tubuh dan sel mainan mengekspresikan gen untuk saluran kalium tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan. Jadi Chagnaud dan Bothe melanjutkan dengan menguji efek obat yang dirancang untuk memblokir jenis saluran tertentu. Akhirnya, mereka menemukan saluran yang, ketika diblokir, menghasilkan kecepatan gerakan berbeda: saluran kalium yang disebut KV7_2/3.

Bothe kemudian melakukan eksperimen yang lebih tepat, menggunakan obat-obatan untuk meningkatkan dan menghambat aktivitas saluran tersebut. Ketika dia membatasi saluran di neuron motorik rattle, mereka bekerja lebih lamban dan tidak tepat, seolah-olah mereka adalah neuron motorik tubuh. Kemudian, ketika dia meningkatkan saluran ion kalium, dia mengamati efek sebaliknya: Neuron motorik tubuh bekerja dengan cepat dan tepat, seperti neuron motorik yang bergetar.

Seolah-olah saluran ion ini adalah sebuah pemutar yang dapat mengubah satu jenis neuron menjadi jenis neuron lainnya. Namun apa sebenarnya yang berbeda dari protein di tubuh ular dan mainannya?

Pada awalnya, para peneliti mengira bahwa neuron motorik rattle harus memiliki KV7 tambahan_2/3 saluran kalium. Jika neuron rattle memiliki lebih banyak saluran, para ilmuwan memperkirakan, maka mereka dapat melepaskan ion lebih cepat, menurunkan voltase untuk mempersiapkan saluran agar segera menyala kembali.

Untuk mengetahuinya, Bothe dan Chagnaud mengekstraksi dan mengurutkan RNA dari kedua jenis neuron motorik ular berbisa dan mengirimkan datanya ke Jason gagah, seorang ahli biologi evolusi di Michigan State University, sehingga dia dapat membandingkan ekspresi KV7_2/3 saluran gen antara kedua jaringan. Gen untuk KV7_2/3 salurannya sama di setiap sel tubuh hewan — tetapi jika neuron mainan memiliki lebih banyak KV7_2/3 saluran, para peneliti berharap untuk melihat ekspresi gen yang lebih tinggi di jaringan tersebut.

Sayangnya, penjelasan sederhana mereka tidak terbukti. “Sebenarnya tidak ada perbedaan dalam tingkat ekspresi gen di saluran potasium ini, dan ini mengecewakan,” kata Gallant. “Tapi menurut saya ini membuka pandangan biologi yang lebih realistis.”

Variasi dalam ekspresi gen akan memberikan cara yang sederhana dan terbuka untuk menjelaskan bagaimana sekrup evolusi pada neuron motorik ular berbisa disesuaikan. Namun biologi menawarkan kemungkinan lain. Chagnaud dan Bothe berspekulasi bahwa setelah protein saluran dibangun dari cetak biru genetik, mereka dapat dimodifikasi menjadi bentuk yang sedikit berbeda yang mengelola ion secara berbeda. Diperlukan lebih banyak penelitian untuk mengetahui detailnya — untuk menemukan kontrol yang menyesuaikan kontrol tersebut.

Sementara itu, Katz tidak menganggap hasil tersebut mengecewakan sama sekali. “Jadi mereka tidak melihat [perubahan] ekspresi gen. Itu adalah jawaban yang mereka harapkan,” katanya. “Tetapi faktanya itu adalah hasil yang keren.”

Selama beberapa dekade, para peneliti berasumsi bahwa sirkuit motor “ada saat akan digunakan,” kata Katz – yang berarti bahwa memulai perilaku seperti berjalan atau berenang hanyalah masalah menyalakan sirkuit yang benar. Dalam pandangan ini, mengembangkan perilaku baru memerlukan tata letak sirkuit yang sepenuhnya baru. Namun dalam studi organisme yang beragam seperti krustasea, siput laut dan sekarang mungkin ular, para peneliti menemukan hal itu interaksi dengan neuromodulator dan bahan kimia lainnya dapat memodulasi aktivitas yang ditimbulkan oleh suatu sirkuit, menyebabkan jaringan sel yang sama menghasilkan perilaku yang sangat berbeda.

Studi baru ini, kata Katz, mengisyaratkan bahwa bermain-main dengan plastisitas ini bisa menjadi cara untuk mengembangkan perilaku gerakan baru. Mungkin perbedaan antara perilaku mainan dan tubuh ada hubungannya dengan perbedaan halus dalam lingkungan kimia sel mereka, bukan struktur atau ekspresi saluran ion itu sendiri.

“Untuk banyak modifikasi evolusioner, tujuan utama Anda bukanlah menghancurkan hewan, bukan?” kata Bagnall. “Apa pun yang dapat Anda lakukan untuk menyelaraskan sifat-sifat tanpa menjadi pemicu adalah cara yang ampuh untuk mendorong perubahan tanpa menimbulkan dampak yang sangat merugikan.”

Memutar dan Menyetel

Studi baru ini menunjukkan bahwa neuron motorik dapat disesuaikan dengan perilaku yang sangat berbeda dengan mengubah satu protein saja. Namun neuron motorik hanyalah salah satu bagian dari teka-teki pergerakan. Mereka adalah mata rantai terakhir dalam rantai yang dimulai dengan sirkuit di sistem saraf pusat yang dikenal sebagai generator pola pusat, yang menghasilkan pola ritme yang terlibat dalam berjalan atau berenang. Sirkuit hulu tersebut lebih dipahami pada organisme lain, seperti ikan zebra. Pada ular derik, membuat mereka bingung adalah langkah logis berikutnya.

“Mata rantai nomor satu yang hilang,” kata Katz, “adalah bagaimana Anda menciptakan frekuensi mainan tersebut? Dari mana asalnya?”

Chagnaud sangat ingin mengetahui apakah Stellschraube serupa menyetel neuron motorik pada spesies lain yang ditakuti karena gigitannya. Seperti ular derik, piranha melakukan dua gerakan berirama dengan frekuensi yang sangat berbeda: berenang, dengan frekuensi hingga enam siklus per detik, dan menggetarkan kantung renangnya pada frekuensi hingga 140 siklus per detik untuk mengeluarkan suara seperti gonggongan, gonggongan, dan yips. ketukan genderang. Namun, tidak seperti ular derik, piranha menggunakan bagian tulang belakang yang sama untuk mengontrol kedua jenis gerakan tersebut.

“Saya penasaran ingin tahu, apakah itu KV7_2/3? Kami tidak tahu,” kata Chagnaud. “Apakah evolusi menemukan solusi yang sama terhadap masalah yang sama?”

Dia memiliki keraguan. Meskipun dia berharap bisa menemukan mekanisme serupa, penemuan mengejutkan – dan terkadang membuat frustrasi – pada ular derik “membuka mata,” katanya. Evolusi bukanlah perancang manusia yang mempunyai tujuan tertentu. Metodenya misterius, dan peralatannya sangat luas. “Dan Anda memiliki sekrup yang sangat berbeda yang dapat Anda putar.”