Drobne poprawki w neuronach mogą zmienić sposób poruszania się zwierząt | Magazyn Quanta

W marcu 2019 r. w pociągu jadącym na południowy zachód od Monachium neurobiolog Maksymilian Bothe poprawił swój ostrożny uchwyt na lodówce na kolanach. Nie zawierało jego lunchu. Wewnątrz znajdowała się tkanka z sześciu rdzeni kręgowych grzechotnika zapakowana w lód – specjalna dostawa dla jego nowego doradcy ds. badań Borysa Chagnauda, neurobiolog behawioralny mieszkający po drugiej stronie Alp. W swoim laboratorium na uniwersytecie w Grazu w Austrii Chagnaud utrzymuje menażerię zwierząt wodnych, które poruszają się w niezwykły sposób – od piranii i sumów bębniących w pęcherze powietrzne, wydając dźwięk, po poskoki błotne skaczące po lądzie na dwóch płetwach. Chagnaud bada i porównuje obwody neuronalne tych stworzeń, aby zrozumieć, w jaki sposób mogą ewoluować nowe sposoby poruszania się, a Bothe przyłączył się do tego przedsięwzięcia ze swoimi kolcami grzechotnika.

Sposoby poruszania się zwierząt są prawie tak niezliczone, jak samo królestwo zwierząt. Chodzą, biegają, pływają, pełzają, latają i ślizgają się – a w każdej z tych kategorii kryje się ogromna liczba subtelnie różnych typów ruchu. Zarówno mewa, jak i koliber mają skrzydła, ale poza tym ich techniki lotu i umiejętności są zupełnie inne. Zarówno orki, jak i piranie mają ogony, ale pływają zupełnie inaczej. Nawet człowiek chodzący lub biegający porusza swoim ciałem w zasadniczo różny sposób.

Tempo i rodzaj ruchów, jakie może wykonać dane zwierzę, ustala sprzęt biologiczny: nerwy, mięśnie i kości, których funkcje są ograniczone ograniczeniami neurologicznymi. Na przykład tempo chodzenia kręgowców jest ustalane przez obwody w ich kręgosłupach, które uruchamiają się bez żadnego świadomego bodźca z mózgu. Tempo tego ruchu jest podyktowane właściwościami obwodów neuronalnych, które je kontrolują.

Aby zwierzę mogło wyewoluować nowy sposób poruszania się, coś w jego obwodach neurologicznych musi się zmienić. Chagnaud chce dokładnie opisać, jak to się dzieje.

„W ewolucji nie wystarczy wymyślić koło. Bierzesz elementy, które już tam były i modyfikujesz je” – powiedział. „Jak zmodyfikować te elementy, które są wspólne dla wielu różnych gatunków, aby wytworzyć nowe zachowania?”

Niedawno jego zespół znalazł odpowiedź na to pytanie w swoich eksperymentach z grzechotnikami Bothe’a – organizmem, który ma dwa różne tempa ruchu wbudowane w jedno długie, smukłe ciało.

Ich wyniki, opublikowane w Current Biology w styczniu ustalili, w jaki sposób majsterkowanie przy pojedynczym białku — kanale jonów potasu — może sprawić, że szybko uruchamiające się neurony ruchowe grzechoczącego ogona węża będą zachowywać się bardziej jak powolne neurony ruchowe jego pofałdowanego ciała i odwrotnie. Odkrycie stanowi dowód na to, że pozornie niewielkie zmiany w fizjologii zwierzęcia mogą przełożyć to samo polecenie wysyłane przez układ nerwowy na różne sposoby poruszania się.

„To, co wydało mi się szczególnie wyjątkowe i interesujące w tym badaniu, to fakt, że skupiło się ono na neuronach ruchowych pełniących dwie bardzo różne funkcje, ale w obrębie tego samego zwierzęcia” – powiedział neurobiolog Marta Bagnal z Washington University w St. Louis, który nie był zaangażowany w te prace. „Patrzenie na nie w obrębie jednego zwierzęcia dało im naprawdę ładne i trafne porównanie”.

Odkrycie wskazuje, w jaki sposób zwierzęta z drzewa życia mogą wyewoluować nowe zachowania. Modyfikowanie odpowiedniego elementu maszyny biologicznej — w tym przypadku konkretnego kanału jonowego — może radykalnie zmienić wydajność, podobnie jak przekręcenie pokrętła głośności w głośniku. Ewolucja może najpierw zająć się sterowaniem, zamiast przerabiać całą maszynę.

„To był bardzo czysty wynik” – powiedział Paweł Katz, neurobiolog behawioralny z Uniwersytetu Massachusetts w Amherst, który również nie był zaangażowany w prace. „I wiesz, grzechotniki – są fajne.”

Śruby ustalające

Chagnaud nie jest zainteresowany grzechotnikami jako takimi. „Właśnie zobaczyłem interesujące pytanie biologiczne” – powiedział. „Jestem oportunistą naukowym”.

Jego zespół bada organizmy, które ich zdaniem ujawnią to, co nazywają ewolucją zachowania Schrauben Stells. Niemieckie słowo dosłownie oznacza „śruby regulacyjne”, chociaż jest to niewygodne tłumaczenie: Stellschrauben to małe elementy sterujące, które regulują ustawienia większej maszyny. Jeśli maszyną jest układ nerwowy, a ustawieniami są bezpośrednie zachowania, Stellschrauben to biologiczne przełączniki, spusty i pokrętła, które po niewielkiej zmianie mogą zmienić zachowanie zwierzęcia na tyle radykalnie, że ma to konsekwencje ewolucyjne.

Grzechotniki dają możliwość zrozumienia, w jaki sposób biologia zmienia ustawienia prędkości u pojedynczego zwierzęcia. Naukowcy zainteresowani takimi pytaniami często muszą porównywać różne gatunki o kontrastujących zachowaniach – powiedzmy mewę i kolibra, które latają, ale poruszają się z różną prędkością. Jednak w tym przypadku trudno jest określić, które z wielu biologicznych różnic między tymi dwoma gatunkami leży u podstaw różnic w pojedynczym zachowaniu ruchowym. Porównanie powolnego pełzania grzechotnika z jego szybkim grzechotaniem pozwala uniknąć problemu porównywania jabłek do pomarańczy lub sardeli do orek.

To spostrzeżenie – że grzechotniki poruszają się na dwa sposoby w jednym ciele – sprawiło, że Bothe siedział w pociągu z Monachium do Grazu z lodówką pełną wężowych kolców.

Po powrocie do Grazu zatopił tkankę kręgosłupa grzechotnika w agarze – rodzaju żelatyny i przygotował cienkie jak brzytwa plasterki do mikroskopii. Wizualnie neurony ruchowe grzechotki i ciała węża wydawały się dokładnie takie same. Kiedy jednak Bothe użył elektrody do przetestowania ich właściwości elektrycznych, odkrył uderzające różnice.

Neurony zmieniają swoją aktywność elektryczną za pomocą pomp i kanałów wbudowanych w błony komórkowe, aby kontrolować przepływ naładowanych jonów, takich jak potas i sód. W spoczynku neurony utrzymują w swoich wnętrzach większy ładunek ujemny niż środowisko zewnętrzne, utrzymując spoczynkowe napięcie błonowe na poziomie około -70 miliwoltów. Następnie, gdy sygnały z innych neuronów zwiększają napięcie błony, komórka „odpala” — otwiera śluzy swoich kanałów jonowych i umożliwia przepływ jonów dodatnich do środka, wytwarzając gwałtowny skok napięcia.

Ten skok napięcia, zwany potencjałem czynnościowym, przemieszcza się wzdłuż błony komórkowej neuronu, aż dociera do synapsy, czyli połączenia między neuronem a inną komórką, gdzie wyzwala uwalnianie substancji chemicznych przekaźników zwanych neuroprzekaźnikami. W przypadku neuronów ruchowych i mięśni uwolnienie neuroprzekaźnika acetylocholiny powoduje skurcz mięśni.

Bothe odkrył, że prąd elektryczny potrzebny do osiągnięcia progu napięcia i uruchomienia neuronu ruchowego ciała węża jest „znacznie niższy niż w przypadku neuronów ruchowych grzechotki” – stwierdził. „Musisz włożyć znacznie więcej prądu do neuronu [grzechoczącego], aby zadziałał”. W porównaniu z neuronami ruchowymi grzechoczącymi, neurony ruchowe ciała reagowały wolniej.

Ponieważ neurony grzechoczące uruchamiają się tylko w odpowiedzi na duże, oczywiste sygnały, prawdopodobieństwo przerw w zadziałaniu jest mniejsze z powodu słabych wahań neurologicznego szumu tła. Są mniej skokowe i bardziej precyzyjne, co pozwala im przekazywać sygnały o wyższej częstotliwości.

Po zidentyfikowaniu różnicy między neuronami ruchowymi grzechotki i ciała, następnym krokiem było znalezienie Stellschrauben, które ją kontrolują.

Prób i błędów

Neurony to komórki, a nie maszyny, co oznacza, że ​​mają chaotyczną złożoność biologiczną. „Śruba”, której szukali Bothe i Chagnaud, kontrolująca właściwości elektryczne neuronu ruchowego, mogła obejmować wszystko, od subtelnych zmian w strukturze białka błonowego po ekspresję zupełnie innego zestawu pomp i kanałów jonowych. Mimo to badacze mieli dobre powody, by sądzić, że ich Stellschrauben będzie obejmował kanał jonowy potasu. Wcześniejsze badania neuronów wykazały, że kanały te odgrywają ważną rolę w dostrajaniu precyzji neuronów, ale ich rola w dostosowywaniu zachowania neuronów ruchowych była niejasna.

„Powiedzmy, że istnieje pewien zestaw narzędzi, który jest dostępny dla ewolucji” – powiedział Bothe. „Więc może tutaj są te same kanały jonowe.”

Znalezienie dokładnego kanału wymagało lat prób i błędów. Porównanie sposobu, w jaki komórki ciała i grzechotki wyrażały geny kanałów potasowych, nie ujawniło żadnych znaczących różnic. Zatem Chagnaud i Bothe kontynuowali badania, testując działanie leków zaprojektowanych w celu blokowania określonych typów kanałów. W końcu znaleźli kanał, który po zablokowaniu generował różne prędkości ruchu: kanał potasowy o nazwie KV7_2/3.

Obaj przeprowadzili następnie bardziej precyzyjne eksperymenty, używając narkotyków w celu wzmocnienia i zahamowania aktywności kanału. Kiedy ograniczył kanał w neuronach ruchowych grzechotki, uruchamiały się one wolniej i nieprecyzyjnie, jakby były neuronami ruchowymi ciała. Następnie, kiedy wzmocnił kanał jonów potasowych, zaobserwował odwrotny efekt: neurony ruchowe ciała uruchamiały się szybko i precyzyjnie, niczym neurony ruchowe grzechotki.

To było tak, jakby ten kanał jonowy był tarczą, która może przekręcić jeden typ neuronu w drugi. Ale co właściwie było innego w tym białku w ciele i grzechotce węża?

Początkowo naukowcy sądzili, że neurony ruchowe grzechotki muszą mieć dodatkową KV7_2/3 kanały potasowe. Naukowcy doszli do wniosku, że gdyby neurony grzechoczące miały więcej kanałów, mogłyby szybciej rozładowywać jony, obniżając napięcie, aby przygotować kanały do ​​szybkiego ponownego zadziałania.

Aby się tego dowiedzieć, Bothe i Chagnaud wyekstrahowali i zsekwencjonowali RNA z obu typów neuronów ruchowych grzechotnika i przesłali dane do Jasona Gallanta, biolog ewolucyjny na Michigan State University, aby mógł porównać ekspresję KV7_2/3 gen kanałowy pomiędzy dwiema tkankami. Gen dla KV7_2/3 kanały są takie same w każdej komórce ciała zwierzęcia — ale gdyby neurony grzechotki miały więcej KV7_2/3 kanały, badacze spodziewaliby się wyższej ekspresji genów w tej tkance.

Niestety, ich proste wyjaśnienie nie zostało udowodnione. „Naprawdę nie ma różnicy w poziomie ekspresji genów w tych kanałach potasowych, co było rozczarowujące” – powiedział Gallant. „Ale myślę, że otwiera to bardziej realistyczne spojrzenie na biologię”.

Różnice w ekspresji genu umożliwiłyby prosty, otwarty i zamknięty sposób wyjaśnienia, w jaki sposób regulowane są ewolucyjne śruby neuronów ruchowych grzechotnika. Ale biologia oferuje inne możliwości. Chagnaud i Bothe spekulowali, że po skonstruowaniu białek kanałowych na podstawie planu genetycznego można je zmodyfikować w nieco inne formy, które w różny sposób zarządzają jonami. Konieczne będą dalsze badania, aby ustalić szczegóły i znaleźć element sterujący, który dostosowuje sterowanie.

Ze swojej strony Katz wcale nie uważał wyniku za rozczarowujący. „Więc nie zaobserwowali [zmiany] w ekspresji genów. Takiej odpowiedzi oczekiwali” – stwierdził. „Ale faktem jest, że to fajny wynik”.

Przez wiele dziesięcioleci badacze zakładali, że obwody motoryczne „istnieją w takim stanie, w jakim będą używane” – stwierdził Katz, co oznacza, że ​​zainicjowanie takiego zachowania, jak chodzenie czy pływanie, polega po prostu na włączeniu odpowiedniego obwodu. Z tego punktu widzenia ewolucja nowego zachowania wymagałaby całkowicie nowego układu obwodów. Ale w badaniach organizmów tak różnorodnych jak skorupiaki, ślimaki morskie a obecnie prawdopodobnie węże – odkrywają to naukowcy interakcje z neuromodulatorami i inne substancje chemiczne mogą modulować aktywność wywoływaną przez obwód, powodując, że te same sieci komórek powodują znacząco odmienne zachowania.

Nowe badanie, jak twierdzi Katz, wskazuje, że zabawa plastycznością może być sposobem na ewolucję nowych zachowań ruchowych. Być może różnica między grzechotką a zachowaniem ciała ma coś wspólnego z subtelnymi różnicami w środowisku chemicznym komórek, a nie ze strukturą czy ekspresją samego kanału jonowego.

„W przypadku wielu modyfikacji ewolucyjnych głównym celem jest nie złamanie zwierzęcia, prawda?” – powiedział Bagnal. „Wszystko, co możesz zrobić, co dostraja cechy, nie stając się włącznikiem/wyłącznikiem, jest potężnym sposobem napędzania zmian bez powodowania głębokich szkód”.

Toczenie i strojenie

To nowe badanie pokazuje, że możliwe jest dostrojenie neuronów ruchowych do zupełnie odmiennych zachowań poprzez modyfikację pojedynczego białka. Ale neurony ruchowe to tylko jeden element układanki ruchowej. Stanowią ostatnie ogniwo w łańcuchu rozpoczynającym się od obwodów w ośrodkowym układzie nerwowym, zwanych centralnymi generatorami wzorców, które generują wzorce rytmiczne związane z chodzeniem lub pływaniem. Te obwody w górę rzeki są lepiej rozumiane w przypadku innych organizmów, takich jak danio pręgowany. W przypadku grzechotników zagadkowanie ich byłoby kolejnym logicznym krokiem.

„Brakującym ogniwem numer jeden” – powiedział Katz – „jest to, jak stworzyć częstotliwość grzechotki? Skąd to pochodzi?"

Chagnaud pragnie dowiedzieć się, czy podobny Stellschraube dostraja neurony ruchowe u innego gatunku, którego obawia się ukąszenie. Podobnie jak grzechotniki, piranie wykonują dwa rytmiczne ruchy z radykalnie różnymi częstotliwościami: pływają z częstotliwością do sześciu cykli na sekundę i wibrują swoimi pęcherzami pławnymi z częstotliwością do 140 cykli na sekundę, wydając dźwięki przypominające szczekanie, piski i piski. Uderzenia w bęben. Jednak w przeciwieństwie do grzechotników, piranie wykorzystują tę samą część kręgosłupa do kontrolowania obu typów ruchu.

„Jestem ciekaw, czy będzie to KV7_2/3? Nie mamy pojęcia” – powiedział Chagnaud. „Czy ewolucja znalazła to samo rozwiązanie tego samego problemu?”

Ma swoje wątpliwości. Chociaż ma nadzieję na znalezienie podobnego mechanizmu, zaskakujące – a czasem frustrujące – odkrycie u grzechotników „otworzyło mu oczy” – powiedział. Ewolucja nie jest projektantem człowieka, który ma określony cel. Jego metody są tajemnicze, a zestaw narzędzi ogromny. „I masz bardzo różne śruby, które możesz przekręcić”.