Piccole modifiche ai neuroni possono ricollegare il movimento degli animali | Rivista Quanti

Nel marzo 2019, su un treno diretto a sud-ovest da Monaco, il neuroscienziato Massimiliano Bothe aggiustò la presa attenta sul frigorifero che aveva in grembo. Non conteneva il suo pranzo. All'interno c'era il tessuto di una mezza dozzina di midollo spinale di serpente a sonagli impacchettato nel ghiaccio: una consegna speciale per il suo nuovo consulente di ricerca Boris Chagnaud, neuroscienziato comportamentale residente d'Oltralpe. Nel suo laboratorio presso l'Università di Graz in Austria, Chagnaud mantiene un serraglio di animali acquatici che si muovono in modi insoliti: dai piranha e pesci gatto che tamburellano con le vesciche d'aria per produrre suoni ai saltafango che saltellano sulla terra su due pinne. Chagnaud studia e confronta i circuiti neuronali di queste creature per capire come potrebbero evolversi nuovi modi di muoversi, e Bothe stava portando le sue spine di serpente a sonagli per unirsi allo sforzo.

I modi in cui gli animali si muovono sono tanti quanto il regno animale stesso. Camminano, corrono, nuotano, strisciano, volano e strisciano - e all'interno di ciascuna di queste categorie si trova un numero enorme di tipi di movimento leggermente diversi. Un gabbiano e un colibrì hanno entrambi le ali, ma per il resto le loro tecniche e abilità di volo sono agli antipodi. Orche e piranha hanno entrambi la coda, ma compiono tipi di nuoto molto diversi. Anche un essere umano che cammina o corre muove il proprio corpo in modi fondamentalmente diversi.

Il ritmo e il tipo di movimenti che un dato animale può eseguire sono stabiliti dall'hardware biologico: nervi, muscoli e ossa le cui funzioni sono vincolate da vincoli neurologici. Ad esempio, il ritmo del cammino dei vertebrati è stabilito da circuiti nelle loro spine che si attivano senza alcun input cosciente da parte del cervello. Il ritmo di quel movimento è dettato dalle proprietà dei circuiti neuronali che li controllano.

Affinché un animale evolva un nuovo modo di muoversi, qualcosa nei suoi circuiti neurologici deve cambiare. Chagnaud vuole descrivere esattamente come ciò accade.

“Nell'evoluzione non si inventa solo la ruota. Prendi pezzi che erano già lì e li modifichi", ha detto. "Come si modificano quei componenti condivisi da molte specie diverse per creare nuovi comportamenti?"

Recentemente, il suo team ha trovato una risposta a questa domanda nei loro esperimenti con i serpenti a sonagli di Bothe, un organismo che ha due ritmi di movimento distinti incorporati in un corpo lungo e snello.

I loro risultati, pubblicato nella Current Biology a gennaio, hanno identificato come armeggiare con una singola proteina - un canale ionico del potassio - potrebbe far sì che i motoneuroni a fuoco rapido della coda sferragliante di un serpente si comportino più come i motoneuroni lenti del suo corpo ondulato e viceversa. La scoperta è la prova che cambiamenti apparentemente minimi nella fisiologia di un animale possono tradurre lo stesso comando proveniente dal sistema nervoso in diversi modi di movimento.

"Quello che ho pensato fosse particolarmente unico e interessante in questo studio è che si sono concentrati sui motoneuroni con due compiti molto diversi, ma all'interno dello stesso animale", ha detto il neuroscienziato. Marta Bagnall della Washington University di St. Louis, che non fu coinvolta nel lavoro. "Guardarli all'interno di un animale ha dato loro questo confronto davvero bello e serrato."

La scoperta indica un modo in cui gli animali dell’albero della vita possono sviluppare nuovi comportamenti. Modificare il giusto componente del macchinario biologico – in questo caso, un canale ionico specifico – può cambiare drasticamente le prestazioni, proprio come si fa ruotando la manopola del volume su un altoparlante. L'evoluzione può agire innanzitutto sui comandi, anziché rielaborare l'intera macchina.

"È stato un risultato molto pulito", ha detto Paolo Katz, un neuroscienziato comportamentale dell'Università del Massachusetts, Amherst, anch'egli non coinvolto nel lavoro. "E, sai, i serpenti a sonagli: sono fantastici."

Viti di impostazione

Chagnaud non è interessato ai serpenti a sonagli in sé. "Ho appena visto un'interessante questione biologica", ha detto. "Sono un opportunista scientifico."

Il suo team studia gli organismi che secondo loro riveleranno ciò che chiamano evolutivo del comportamento Stellschrauben. La parola tedesca significa letteralmente “viti di regolazione”, anche se è una traduzione scomoda: Stellschrauben sono i piccoli controlli che regolano le impostazioni di una macchina più grande. Se la macchina è il sistema nervoso e le impostazioni sono il comportamento diretto, gli Stellschrauben sono gli interruttori, i grilletti e le manopole biologiche che, con solo una piccola modifica, cambiano la condotta di un animale in modo abbastanza drammatico da avere conseguenze evolutive.

I serpenti a sonagli offrono l’opportunità di comprendere come la biologia modifica le impostazioni di velocità in un singolo animale. I ricercatori interessati a tali domande spesso devono confrontare specie diverse con comportamenti contrastanti, ad esempio un gabbiano e un colibrì, che volano entrambi, ma con movimenti diversi a velocità diverse. Tuttavia, in questo caso è difficile stabilire quale delle tante distinzioni biologiche tra le due specie sia alla base della variazione in un singolo comportamento di movimento. Confrontando il lento strisciare di un serpente a sonagli con il suo rapido tintinnio si evita il problema di paragonare le mele alle arance, o le acciughe alle orche.

Questa intuizione – che i serpenti a sonagli hanno due modi di muoversi in un unico corpo – è il motivo per cui Bothe si ritrovò seduto su un treno da Monaco a Graz con una borsa termica piena di spine di serpente.

Tornato a Graz, incorporò il tessuto spinale del serpente a sonagli nell'agar, un tipo di gelatina, e ne preparò fette sottilissime per la microscopia. Visivamente, i motoneuroni del sonaglio e del corpo del serpente sembravano esattamente gli stessi. Ma quando Bothe utilizzò un elettrodo per testare le loro proprietà elettriche, trovò differenze sorprendenti.

I neuroni alterano la loro attività elettrica utilizzando pompe e canali incorporati nelle loro membrane cellulari per controllare il flusso di ioni carichi come potassio e sodio. A riposo, i neuroni mantengono la carica interna più negativa rispetto all’ambiente esterno, mantenendo un voltaggio della membrana a riposo di circa -70 millivolt. Quindi, quando i segnali provenienti da altri neuroni aumentano questo voltaggio della membrana, la cellula “spara” – apre le chiuse dei suoi canali ionici e consente agli ioni positivi di fluire all’interno, producendo un rapido picco di voltaggio.

Questo picco di tensione, chiamato potenziale d'azione, sfreccia lungo la membrana cellulare del neurone fino a raggiungere una sinapsi, l'interfaccia tra un neurone e un'altra cellula, dove innesca il rilascio di sostanze chimiche messaggere chiamate neurotrasmettitori. Nel caso dei motoneuroni e di un muscolo, il rilascio del neurotrasmettitore acetilcolina dice al muscolo di contrarsi.

Bothe ha scoperto che la corrente elettrica necessaria per raggiungere la soglia di tensione e attivare il motoneurone del corpo di un serpente era "molto inferiore a quella dei motoneuroni del sonaglino", ha detto. "Devi immettere molta più corrente nel neurone [del sonaglio] affinché si attivi." E rispetto ai motoneuroni del sonaglio, i motoneuroni del corpo reagiscono più lentamente.

Poiché i neuroni a sonaglino si attivano solo in risposta a segnali grandi ed evidenti, hanno meno probabilità di attivarsi in modo errato a causa delle deboli fluttuazioni del rumore di fondo neurologico. Sono meno nervosi e più precisi, il che consente loro di trasmettere segnali a frequenza più alta.

Dopo aver identificato questa differenza tra il sonaglio e i motoneuroni del corpo, il passo successivo è stato trovare lo Stellschrauben che lo controlla.

Trial and Error

I neuroni sono cellule, non macchine, il che significa che hanno una complessità biologica disordinata. La “vite” che Bothe e Chagnaud stavano cercando per controllare le proprietà elettriche del motoneurone potrebbe essere qualsiasi cosa, da una sottile modifica nella struttura di una proteina di membrana all'espressione di un insieme completamente diverso di pompe e canali ionici. Tuttavia, i ricercatori avevano buone ragioni per ritenere che il loro Stellschrauben avrebbe coinvolto un canale ionico di potassio. Precedenti studi sui neuroni avevano stabilito che questi canali sono importanti per regolare la precisione dei neuroni, ma il loro ruolo nella regolazione specifica del comportamento dei motoneuroni non era chiaro.

"C'è un certo kit di strumenti, diciamo, a disposizione dell'evoluzione", ha detto Bothe. "Quindi forse qui si tratta degli stessi canali ionici."

Trovare il canale esatto ha richiesto anni di tentativi ed errori. Confrontando il modo in cui le cellule del corpo e quelle del sonaglino esprimevano i geni per i canali del potassio non sono emerse differenze significative. Così Chagnaud e Bothe andarono avanti testando gli effetti di farmaci progettati per bloccare specifici tipi di canali. Infine, hanno trovato un canale che, quando bloccato, generava diverse velocità di movimento: un canale del potassio chiamato KV7_2/3.

Bothe eseguì poi esperimenti più precisi, utilizzando farmaci per potenziare e ostacolare l'attività del canale. Quando ha limitato il canale nei motoneuroni del sonaglino, questi si attivavano in modo più lento e impreciso, come se fossero motoneuroni del corpo. Poi, quando ha potenziato il canale ionico del potassio, ha osservato l’effetto opposto: i motoneuroni del corpo si attivavano in modo rapido e preciso, come i motoneuroni del sonaglino.

Era come se questo canale ionico fosse un quadrante in grado di trasformare un tipo di neurone nell'altro. Ma cosa c'era di diverso in questa proteina nel corpo e nel sonaglio del serpente?

Inizialmente, i ricercatori pensavano che i motoneuroni del sonaglino dovessero avere KV7 in più_2/3 canali del potassio. Se i neuroni a sonagli avessero più canali, hanno pensato gli scienziati, allora potrebbero scaricare gli ioni più rapidamente, riducendo la tensione per preparare i canali ad attivarsi nuovamente rapidamente.

Per scoprirlo, Bothe e Chagnaud hanno estratto e sequenziato l'RNA da entrambi i tipi di motoneuroni del serpente a sonagli e hanno inviato i dati a Jason Galante, un biologo evoluzionista della Michigan State University, in modo da poter confrontare l'espressione del KV7_2/3 gene del canale tra i due tessuti. Il gene per KV7_2/3 canali sono gli stessi in ogni cellula del corpo dell'animale, ma se i neuroni del sonaglino avessero più KV7_2/3 canali, i ricercatori si aspetterebbero di vedere una maggiore espressione genetica in quel tessuto.

Purtroppo, la loro semplice spiegazione non è stata dimostrata. "Non c'è davvero alcuna differenza nel livello di espressione genetica in questi canali del potassio, il che è stato deludente", ha detto Gallant. "Ma penso che apra una visione più realistica della biologia."

Le variazioni nell'espressione del gene avrebbero fornito un modo semplice e chiaro per spiegare come vengono regolate le viti evolutive sui motoneuroni del serpente a sonagli. Ma la biologia offre altre possibilità. Chagnaud e Bothe hanno ipotizzato che, una volta costruite le proteine ​​canale a partire dal modello genetico, queste potrebbero essere modificate in forme leggermente diverse che gestiscono gli ioni in modo diverso. Saranno necessarie ulteriori ricerche per definire i dettagli e trovare il controllo che regola il controllo.

Da parte sua Katz non ha ritenuto affatto deludente il risultato. “Quindi non hanno visto un [cambiamento nell’] espressione genetica. Questa era la risposta che si aspettavano”, ha detto. "Ma il fatto è che è un risultato interessante."

Per molti decenni, i ricercatori hanno ipotizzato che i circuiti motori “esistano così come verranno utilizzati”, ha affermato Katz, il che significa che avviare un comportamento come camminare o nuotare è semplicemente questione di attivare il circuito giusto. In quest’ottica, l’evoluzione di un nuovo comportamento richiederebbe un layout del circuito completamente nuovo. Ma negli studi su organismi diversi come crostacei, lumache di mare e ora forse i serpenti, i ricercatori lo stanno scoprendo Interazioni con neuromodulatori e altre sostanze chimiche possono modulare l'attività evocata da un circuito, portando le stesse reti di cellule a produrre comportamenti marcatamente diversi.

Il nuovo studio, ha detto Katz, suggerisce che giocare con questa plasticità potrebbe essere un modo per far evolvere nuovi comportamenti di movimento. Forse la differenza tra sonaglio e comportamento corporeo ha qualcosa a che fare con sottili differenze nell'ambiente chimico delle loro cellule, non con la struttura o l'espressione del canale ionico stesso.

"Per molte modifiche evolutive, il tuo obiettivo principale è non spezzare l'animale, giusto?" Bagnall ha detto. “Tutto ciò che puoi fare per ottimizzare i tratti senza diventare un interruttore di accensione/spegnimento è un potente mezzo per guidare il cambiamento senza essere profondamente deleterio”.

Tornitura e accordatura

Questo nuovo studio mostra che è possibile sintonizzare i motoneuroni per comportamenti molto diversi modificando una singola proteina. Ma i motoneuroni sono solo un pezzo del puzzle del movimento. Sono l'ultimo anello di una catena che inizia con i circuiti del sistema nervoso centrale noti come generatori di schemi centrali, che generano gli schemi ritmici coinvolti nel camminare o nel nuotare. Questi circuiti a monte sono meglio compresi in altri organismi, come il pesce zebra. Nel caso dei serpenti a sonagli, sconcertarli sarebbe il passo logico successivo.

“L’anello mancante numero uno”, ha detto Katz, “è come si crea la frequenza per il sonaglio? Da dove viene?"

Chagnaud è ansioso di scoprire se un Stellschraube simile accorda i motoneuroni di un'altra specie temuta per il suo morso. Come i serpenti a sonagli, i piranha eseguono due movimenti ritmici con frequenze radicalmente diverse: nuotano, con una frequenza fino a sei cicli al secondo, e fanno vibrare la vescica natatoria a frequenze fino a 140 cicli al secondo per emettere suoni che sembrano latrati, guaiti e tamburi. Tuttavia, a differenza dei serpenti a sonagli, i piranha utilizzano la stessa sezione della colonna vertebrale per controllare entrambi i tipi di movimento.

“Sono curioso di sapere se sarà KV7_2/3? Non ne abbiamo idea”, ha detto Chagnaud. “L’evoluzione ha trovato la stessa soluzione allo stesso problema?”

Ha i suoi dubbi. Anche se spera di trovare un meccanismo simile, la sorprendente – e a volte frustrante – scoperta nei serpenti a sonagli “ha aperto gli occhi”, ha detto. L’evoluzione non è un progettista umano con un obiettivo in mente. I suoi metodi sono misteriosi e la sua cassetta degli attrezzi è vasta. "E hai viti molto diverse che puoi girare."