Små justeringer av nevroner kan koble om dyrebevegelse | Quanta Magazine

I mars 2019, på et tog på vei sørvestover fra München, nevroforskeren Maximilian Bothe justerte sitt forsiktige grep om kjøleren i fanget. Den inneholdt ikke lunsjen hans. Inni var vev fra et halvt dusin rattlesnake ryggmarg pakket i is - en spesiell leveranse til hans nye forskningsrådgiver Boris Chagnaud, en atferdsnevroforsker basert på den andre siden av Alpene. I laboratoriet sitt ved universitetet i Graz i Østerrike opprettholder Chagnaud et menasjeri av vannlevende dyr som beveger seg på uvanlige måter - fra pirajaer og steinbit som trommer luftblærer for å produsere lyd til gjørmeskippere som hopper rundt på land på to finner. Chagnaud studerer og sammenligner disse skapningenes nevronale kretsløp for å forstå hvordan nye måter å bevege seg på kan utvikle seg, og Bothe tok med seg klapperslangeryggene for å bli med i forsøket.

Måtene dyr beveger seg på er omtrent like utallige som dyreriket selv. De går, løper, svømmer, kryper, flyr og glir – og innenfor hver av disse kategoriene ligger et enormt antall subtilt forskjellige bevegelsestyper. En måke og en kolibri har begge vinger, men ellers er deres flyteknikker og evner fra hverandre. Spekkhoggere og pirajaer har begge haler, men de oppnår svært forskjellige typer svømming. Selv et menneske som går eller løper beveger kroppen sin på fundamentalt forskjellige måter.

Tempoet og typen bevegelser et gitt dyr kan utføre bestemmes av biologisk maskinvare: nerver, muskler og bein hvis funksjoner er bundet av nevrologiske begrensninger. For eksempel er virveldyrs gangtempo satt av kretsløp i ryggraden som avfyrer uten bevisst input fra hjernen. Tempoet i den bevegelsen er diktert av egenskapene til de nevronale kretsene som kontrollerer dem.

For at et dyr skal utvikle en ny måte å bevege seg på, må noe i dets nevrologiske kretsløp endres. Chagnaud ønsker å beskrive nøyaktig hvordan det skjer.

«I evolusjonen finner du ikke bare opp hjulet. Du tar stykker som allerede var der, og du modifiserer dem," sa han. "Hvordan modifiserer du de komponentene som deles på tvers av mange forskjellige arter for å lage ny atferd?"

Nylig fant teamet hans ett svar på dette spørsmålet i sine eksperimenter med Bothes klapperslanger - en organisme som har to distinkte bevegelsestempo innebygd i en lang, slank kropp.

Resultatene deres, publisert i Current Biology i januar, identifiserte hvordan triksing med et enkelt protein – en kaliumionkanal – kunne få hurtigfyrende motorneuroner fra en slanges raslende hale til å oppføre seg mer som de trege motorneuronene fra dens bølgende kropp, og omvendt. Funnet er bevis på at tilsynelatende små endringer i et dyrs fysiologi kan oversette den samme kommandoen fra nervesystemet til forskjellige måter å bevege seg på.

"Det jeg syntes var spesielt unikt og interessant med denne studien er at de fokuserte på motoriske nevroner med to veldig forskjellige jobber, men innenfor samme dyr," sa nevroforskeren Martha Bagnall fra Washington University i St. Louis, som ikke var involvert i arbeidet. "Å se på dem i ett dyr ga dem denne veldig fine, stramme sammenligningen."

Funnet peker på en måte at dyr på tvers av livets tre kan utvikle ny atferd. Å justere det riktige stykke biologisk maskineri - i dette tilfellet en spesifikk ionekanal - kan drastisk endre ytelsen, akkurat som å vri volumskiven på en høyttaler. Evolution kan handle først på kontrollene, i stedet for å omarbeide hele maskinen.

"Det var et veldig rent resultat," sa Paul Katz, en atferdsnevroforsker ved University of Massachusetts, Amherst, som heller ikke var involvert i arbeidet. "Og du vet, klapperslanger - de er kule."

Setteskruer

Chagnaud er ikke interessert i klapperslanger i seg selv. "Jeg så nettopp et interessant biologisk spørsmål," sa han. "Jeg er en vitenskapsopportunist."

Teamet hans studerer organismer de tror vil avsløre det de kaller atferdens evolusjonære Stellschrauben. Det tyske ordet betyr bokstavelig talt "innstillingsskruer", selv om det er en vanskelig oversettelse: Stellschrauben er de små kontrollene som justerer innstillingene til en større maskin. Hvis maskinen er nervesystemet og innstillingene er direkte oppførsel, er Stellschrauben de biologiske bryterne, triggerne og knottene som, med bare en liten justering, endrer et dyrs atferd dramatisk nok til å få evolusjonære konsekvenser.

Klapperslanger gir en mulighet til å forstå hvordan biologi endrer hastighetsinnstillingene i et enkelt dyr. Forskere som er interessert i slike spørsmål, må ofte sammenligne forskjellige arter med kontrasterende atferd - for eksempel en måke og en kolibri, som begge flyr, men med forskjellige bevegelser i forskjellige hastigheter. Men i så fall er det vanskelig å finne ut hvilken av de mange biologiske forskjellene mellom de to artene som ligger til grunn for variasjon i en enkelt bevegelsesatferd. Ved å sammenligne en klapperslanges langsomme gliring med dens raske rasling unngår du problemet med å sammenligne epler med appelsiner, eller ansjos med spekkhoggere.

Den innsikten - at klapperslanger har to måter å bevege seg på i en kropp - er grunnen til at Bothe fant seg selv sittende på et tog fra München til Graz med en kjøler full av slangerygger.

Tilbake i Graz innebygde han klapperslangens spinalvev i agar, en type gelatin, og lagde syltynne skiver for mikroskopi. Visuelt virket motoriske nevroner fra slangens rangle og kropp nøyaktig like. Men da Bothe brukte en elektrode for å teste deres elektriske egenskaper, fant han slående forskjeller.

Nevroner endrer deres elektriske aktivitet ved å bruke pumper og kanaler innebygd i cellemembranene deres for å kontrollere strømmen av ladede ioner som kalium og natrium. I hvile holder nevronene indre mer negativt ladet enn ytre miljø, og opprettholder en hvilemembranspenning på omtrent -70 millivolt. Deretter, når signaler fra andre nevroner øker denne membranspenningen, "fyrer" cellen - den åpner slusene til ionekanalene sine og lar positive ioner strømme inn, og produserer en rask spenningstopp.

Denne spenningstoppen, kalt et aksjonspotensial, glider langs nevronets cellemembran til den når en synapse, grensesnittet mellom en nevron og en annen celle, der den utløser frigjøring av messenger-kjemikalier kalt nevrotransmittere. Når det gjelder motoriske nevroner og en muskel, forteller frigjøringen av nevrotransmitteren acetylkolin at muskelen skal trekke seg sammen.

Bothe fant ut at den elektriske strømmen som trengs for å nå spenningsterskelen og utløse en slanges kroppsmotorneuron var "mye lavere enn for raslemotorneuronene," sa han. "Du må legge mye mer strøm inn i [rangle]-nevronet for at det skal avfyres." Og sammenlignet med skranglende motoriske nevroner, reagerte kroppsmotoriske nevroner tregere.

Fordi rangle-nevroner bare avfyrer som svar på store, åpenbare signaler, er det mindre sannsynlig at de feilfyrer på grunn av svake svingninger i den nevrologiske bakgrunnsstøyen. De er mindre hoppende og mer presise, noe som gjør at de kan videresende høyfrekvente signaler.

Etter å ha identifisert denne forskjellen mellom rangle og kroppsmotoriske nevroner, var neste trinn å finne Stellschrauben som kontrollerer den.

Prøving og feiling

Nevroner er celler, ikke maskiner, noe som betyr at de har rotete biologisk kompleksitet. "Skruen" Bothe og Chagnaud lette etter som kontrollerte motorneuronens elektriske egenskaper kan være alt fra en subtil justering i strukturen til et membranprotein til uttrykket av et helt annet sett med ionepumper og kanaler. Likevel hadde forskerne god grunn til å tro at deres Stellschrauben ville innebære en kaliumionekanal. Tidligere studier av nevroner hadde fastslått at disse kanalene er viktige for å justere nevronenes presisjon, men deres rolle i å justere oppførselen til motoriske nevroner spesifikt var uklar.

"Det er en viss verktøykasse, la oss si, som er tilgjengelig for evolusjon," sa Bothe. "Så kanskje det er de samme ionekanalene her."

Å finne den eksakte kanalen tok år med prøving og feiling. Sammenligning av hvordan kropps- og rangleceller uttrykte gener for kaliumkanaler, avslørte ingen signifikante forskjeller. Så Chagnaud og Bothe pløyde videre ved å teste effekten av medisiner designet for å blokkere bestemte typer kanaler. Til slutt fant de en kanal som, når den ble blokkert, genererte forskjellige bevegelseshastigheter: en kaliumkanal kalt KV7_2/3.

Bothe utførte deretter mer presise eksperimenter ved å bruke medisiner for å forbedre og hindre kanalens aktivitet. Da han begrenset kanalen i skranglende motoriske nevroner, skjøt de mer tregt og upresist, som om de var kroppsmotoriske nevroner. Så, da han forbedret kaliumionekanalen, observerte han den motsatte effekten: Motoriske nevroner i kroppen avfyrte raskt og presist, som skranglende motoriske nevroner.

Det var som om denne ionekanalen var en skive som kunne vri den ene nevrontypen inn i den andre. Men hva var egentlig annerledes med dette proteinet i slangens kropp og rangle?

Først trodde forskerne at raslemotorneuroner må ha ekstra KV7_2/3 kaliumkanaler. Hvis rangle-nevronene hadde flere kanaler, regnet forskerne med, kunne de utlade ioner raskere, og bringe spenningen ned igjen for å forberede kanalene til raskt å skyte igjen.

For å finne ut ekstraherte Bothe og Chagnaud og sekvenserte RNA fra begge typer klapperslange motorneuroner og sendte dataene til Jason Gallant, en evolusjonsbiolog ved Michigan State University, slik at han kunne sammenligne uttrykket til KV7_2/3 kanalgenet mellom de to vevene. Genet for KV7_2/3 kanalene er de samme i hver celle i dyrets kropp - men hvis rangle-nevronene hadde mer KV7_2/3 kanaler, forventer forskerne å se høyere genuttrykk i det vevet.

Akk, deres enkle forklaring ble ikke bevist. "Det er virkelig ingen forskjell i nivået av genuttrykk i disse kaliumkanalene, noe som var skuffende," sa Gallant. "Men jeg tror det åpner for et mer realistisk syn på biologi."

Variasjoner i genets uttrykk ville gitt en enkel, åpen og lukket måte å forklare hvordan de evolusjonære skruene på klapperslangens motorneuroner justeres. Men biologi gir andre muligheter. Chagnaud og Bothe spekulerte i at etter at kanalproteinene er konstruert fra den genetiske planen, kan de modifiseres til litt forskjellige former som håndterer ioner annerledes. Mer forskning vil være nødvendig for å finne detaljene - for å finne kontrollen som justerer kontrollen.

På sin side anså Katz ikke resultatet som skuffende i det hele tatt. "Så de så ikke en [endring i] genuttrykk. Det var svaret de forventet, sa han. "Men faktum er at det er et kult resultat."

I mange tiår har forskere antatt at motorkretser "eksisterer ettersom de vil bli brukt," sa Katz - noe som betyr at å starte en atferd som å gå eller svømme er ganske enkelt et spørsmål om å slå på riktig krets. I dette synet ville utvikling av en ny atferd kreve en helt ny kretsoppsett. Men i studier av organismer så forskjellige som krepsdyr, sjøsnegler og nå muligens slanger, det finner forskere interaksjoner med nevromodulatorer og andre kjemikalier kan modulere aktiviteten som en krets fremkaller, noe som fører til at de samme nettverkene av celler produserer markant forskjellig oppførsel.

Den nye studien, sa Katz, antyder at å leke med denne plastisiteten kan være en måte som ny bevegelsesatferd utvikler seg på. Kanskje forskjellen mellom rangle og kroppsatferd har noe å gjøre med subtile forskjeller i cellenes kjemiske miljøer, ikke strukturen eller uttrykket til selve ionekanalen.

"For mange evolusjonære modifikasjoner er hovedmålet ditt å ikke knuse dyret, ikke sant?" sa Bagnall. "Alt du kan gjøre som justerer egenskaper uten å bli en av/på-bryter er et kraftig middel for å drive endring uten å være dypt skadelig."

Snuing og tuning

Denne nye studien viser at det er mulig å stille inn motoriske nevroner for veldig forskjellig oppførsel ved å justere et enkelt protein. Men motoriske nevroner er bare en del av bevegelsespuslespillet. De er det siste leddet i en kjede som begynner med kretsløp i sentralnervesystemet kjent som sentrale mønstergeneratorer, som genererer de rytmiske mønstrene som er involvert i å gå eller svømme. Disse oppstrøms kretsene er bedre forstått i andre organismer, som sebrafisk. I klapperslanger ville det være et neste logisk skritt å forvirre dem.

"Den nummer én manglende lenken," sa Katz, "er hvordan lager du frekvensen for ranglen? Hvor kommer det fra?"

Chagnaud er ivrig etter å finne ut om en lignende Stellschraube stiller motoriske nevroner i en annen art fryktet for bittet. Som klapperslanger utfører pirajaer to rytmiske bevegelser med radikalt forskjellige frekvenser: svømming, med en frekvens på opptil seks sykluser per sekund, og vibrerer svømmeblærene med frekvenser på opptil 140 sykluser per sekund for å lage lyder som høres ut som bjeff, yips og trommeslag. Imidlertid, i motsetning til klapperslanger, bruker pirajaer den samme delen av ryggraden for å kontrollere begge bevegelsestypene.

«Jeg er nysgjerrig på å vite om det blir KV7_2/3? Vi aner ikke, sa Chagnaud. "Fant evolusjonen den samme løsningen på det samme problemet?"

Han har sine tvil. Selv om han er håpefull om å finne en lignende mekanisme, var den overraskende - og til tider frustrerende - oppdagelsen hos klapperslanger "en øyeåpner," sa han. Evolusjon er ikke en menneskelig designer med et mål i tankene. Metodene er mystiske, og verktøykassen er enorm. "Og du har veldig forskjellige skruer du kan skru på."