Небольшие изменения в нейронах могут изменить движение животных | Журнал Кванта

В марте 2019 года в поезде, направлявшемся на юго-запад из Мюнхена, нейробиолог Максимилиан Боте поправил осторожный захват холодильника на коленях. В нем не было его обеда. Внутри находились ткани полудюжины спинного мозга гремучей змеи, упакованные во льду — специальная поставка для его нового научного руководителя. Борис Шагно, поведенческий нейробиолог, живущий по другую сторону Альп. В своей лаборатории в Университете Граца в Австрии Шагно содержит целый зверинец водных животных, которые передвигаются необычными способами — от пираний и сомов, которые барабанят по воздушным пузырям, чтобы издавать звук, до илистых прыгунов, которые прыгают по суше на двух плавниках. Шагно изучает и сравнивает нейронные цепи этих существ, чтобы понять, как могут появиться новые способы передвижения, а Боте привнес в свои усилия свои шипы гремучей змеи.

Способы передвижения животных столь же многочисленны, как и сам животный мир. Они ходят, бегают, плавают, ползают, летают и скользят — и в каждой из этих категорий лежит огромное количество слегка различающихся типов движений. У чайки и колибри есть крылья, но в остальном их техника полета и способности совершенно разные. У косаток и пираний есть хвосты, но они умеют плавать совершенно по-разному. Даже ходьба или бег человека двигают своим телом принципиально по-другому.

Темп и тип движений, которые может выполнять данное животное, задаются биологическим аппаратом: нервами, мышцами и костями, функции которых связаны неврологическими ограничениями. Например, темп ходьбы позвоночных животных задается схемами в их позвоночнике, которые срабатывают без какого-либо сознательного воздействия со стороны мозга. Скорость этого движения определяется свойствами нейронных цепей, которые их контролируют.

Чтобы животное развило новый способ передвижения, что-то в его неврологической схеме должно измениться. Шагно хочет точно описать, как это происходит.

«В эволюции вы не просто изобретаете колесо. Вы берете части, которые уже были там, и модифицируете их», — сказал он. «Как изменить те компоненты, которые являются общими для многих разных видов, чтобы создать новое поведение?»

Недавно его команда нашла один ответ на этот вопрос в своих экспериментах с гремучими змеями Боте — организмом, который имеет два различных темпа движения, встроенных в одно длинное, стройное тело.

Их результаты, опубликованной в Current Biology в январе определили, как работа с одним-единственным белком — каналом ионов калия — может заставить быстродействующие двигательные нейроны грохочущего хвоста змеи вести себя больше как вялые двигательные нейроны ее волнистого тела, и наоборот. Это открытие свидетельствует о том, что, казалось бы, незначительные изменения в физиологии животного могут переводить одну и ту же команду из нервной системы в разные способы движения.

«Что мне показалось особенно уникальным и интересным в этом исследовании, так это то, что они сосредоточились на мотонейронах, выполняющих две совершенно разные функции, но внутри одного и того же животного», — сказал нейробиолог. Марта Бэгналл из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, который не принимал участия в работе. «Глядя на них внутри одного животного, они получили действительно хорошее и точное сравнение».

Это открытие указывает на то, что животные на древе жизни могут развивать новое поведение. Настройка правильной части биологического механизма — в данном случае конкретного ионного канала — может радикально изменить производительность, точно так же, как поворот регулятора громкости на громкоговорителе. Эволюция может сначала воздействовать на органы управления, а не переделывать всю машину.

«Это был очень чистый результат», — сказал Пол Кац, поведенческого нейробиолога из Массачусетского университета в Амхерсте, который также не принимал участия в работе. «И, знаете, гремучие змеи — они классные».

Установочные винты

Шано не интересуются гремучими змеями как таковыми. «Я только что увидел интересный биологический вопрос», — сказал он. «Я научный оппортунист».

Его команда изучает организмы, которые, по их мнению, раскроют то, что они называют эволюционным поведением. Штельшраубен. Немецкое слово буквально означает «регулировочные винты», хотя это неуклюжий перевод: Stellschrauben — это маленькие органы управления, которые регулируют настройки более крупной машины. Если машина — это нервная система, а настройки — прямое поведение, то Штелшраубены — это биологические переключатели, триггеры и ручки, которые при небольшой настройке меняют поведение животного достаточно резко, чтобы иметь эволюционные последствия.

Гремучие змеи дают возможность понять, как биология меняет настройки скорости у одного животного. Исследователям, интересующимся такими вопросами, часто приходится сравнивать разные виды с разным поведением — скажем, чайку и колибри, которые летают, но совершают разные движения с разной скоростью. Однако в этом случае трудно определить, какое из многих биологических различий между двумя видами лежит в основе вариаций в одном двигательном поведении. Сравнение медленного скольжения гремучей змеи с ее быстрым грохотом позволяет избежать проблемы сравнения яблок с апельсинами или анчоусов с косатками.

Именно это понимание того, что у гремучих змей есть два способа передвижения в одном теле, Боте оказался в поезде, идущем из Мюнхена в Грац, с холодильником, полным змеиных шипов.

Вернувшись в Грац, он поместил ткани позвоночника гремучей змеи в агар, разновидность желатина, и сделал тонкие срезы для микроскопии. Визуально мотонейроны погремушки и тела змеи казались совершенно одинаковыми. Но когда Боте использовал электрод для проверки их электрических свойств, он обнаружил поразительные различия.

Нейроны изменяют свою электрическую активность, используя насосы и каналы, встроенные в их клеточные мембраны, чтобы контролировать поток заряженных ионов, таких как калий и натрий. В состоянии покоя нейроны сохраняют свой внутренний заряд более отрицательным, чем внешняя среда, поддерживая напряжение на мембране покоя около -70 милливольт. Затем, когда сигналы от других нейронов увеличивают напряжение на мембране, клетка «срабатывает» — она открывает шлюзы своих ионных каналов и позволяет положительным ионам проникать внутрь, вызывая быстрый всплеск напряжения.

Этот всплеск напряжения, называемый потенциалом действия, проносится вдоль клеточной мембраны нейрона, пока не достигает синапса, интерфейса между нейроном и другой клеткой, где он запускает высвобождение химических веществ-посредников, называемых нейротрансмиттерами. В случае мотонейронов и мышц высвобождение нейромедиатора ацетилхолина заставляет мышцу сокращаться.

Боте обнаружил, что электрический ток, необходимый для достижения порога напряжения и запуска мотонейрона тела змеи, был «намного ниже, чем для мотонейронов погремушки», сказал он. «Вам нужно подать гораздо больший ток в нейрон [гремушки], чтобы он сработал». И по сравнению с мотонейронами погремушек, мотонейроны тела реагировали более вяло.

Поскольку нейроны погремушек срабатывают только в ответ на сильные и очевидные сигналы, вероятность осечки у них меньше из-за слабых колебаний неврологического фонового шума. Они менее нервные и более точные, что позволяет им передавать более высокочастотные сигналы.

Выявив эту разницу между мотонейронами погремушки и тела, следующим шагом было найти Stellschrauben, которые ее контролируют.

Пробы и ошибки

Нейроны — это клетки, а не машины, а это означает, что у них сложная биологическая структура. «Винт», который искали Боте и Шагно и который контролировал электрические свойства мотонейрона, мог быть чем угодно: от тонкой настройки структуры мембранного белка до экспрессии совершенно другого набора ионных насосов и каналов. Тем не менее, у исследователей были веские основания полагать, что их Штелшраубен будет включать в себя канал ионов калия. Предыдущие исследования нейронов установили, что эти каналы важны для точности настройки нейронов, но их роль в регулировании поведения мотонейронов в частности была неясна.

«Скажем, существует определенный набор инструментов, который доступен для эволюции», — сказал Боте. «Так что, возможно, здесь те же самые ионные каналы».

Поиск точного канала занял годы проб и ошибок. Сравнение того, как клетки тела и погремушки экспрессируют гены калиевых каналов, не выявило каких-либо существенных различий. Поэтому Шагно и Боте пошли дальше, проверяя действие препаратов, предназначенных для блокирования определенных типов каналов. Наконец, они нашли канал, который при блокировке генерирует разную скорость движения: калиевый канал под названием KV7._2/3.

Затем Боте провел более точные эксперименты, используя лекарства для усиления и подавления активности канала. Когда он ограничивал канал в мотонейронах хрипов, они срабатывали более медленно и неточно, как если бы это были мотонейроны тела. Затем, когда он усилил канал ионов калия, он наблюдал противоположный эффект: мотонейроны тела сработали быстро и точно, как мотонейроны-погремушки.

Как будто этот ионный канал был циферблатом, который мог превращать один тип нейронов в другой. Но чем на самом деле отличался этот белок в теле змеи и погремушке?

Сначала исследователи думали, что мотонейроны погремушек должны иметь дополнительный KV7._2/3 калиевые каналы. По мнению ученых, если бы у погремушек было больше каналов, они могли бы разряжать ионы быстрее, снижая напряжение и подготавливая каналы к повторному быстрому срабатыванию.

Чтобы выяснить это, Боте и Шагно извлекли и секвенировали РНК из обоих типов мотонейронов гремучей змеи и отправили данные в Джейсон Галлант, биолог-эволюционист из Мичиганского государственного университета, чтобы он мог сравнить экспрессию KV7_2/3 ген канала между двумя тканями. Ген КВ7_2/3 каналы одинаковы в каждой клетке тела животного — но если бы в нейронах погремушки было больше KV7_2/3 каналов, исследователи ожидали увидеть более высокую экспрессию генов в этой ткани.

Увы, их простое объяснение не оправдалось. «На самом деле нет никакой разницы в уровне экспрессии генов в этих калиевых каналах, что разочаровывает», — сказал Галлант. «Но я думаю, что это открывает более реалистичный взгляд на биологию».

Вариации в экспрессии гена предоставили бы простой и понятный способ объяснить, как регулируются эволюционные винты на мотонейронах гремучей змеи. Но биология предлагает другие возможности. Шагно и Боте предположили, что после того, как белки каналов будут построены на основе генетического проекта, их можно будет модифицировать в несколько иные формы, которые по-разному управляют ионами. Потребуются дополнительные исследования, чтобы уточнить детали и найти элемент управления, который регулирует контроль.

Со своей стороны, Кац нисколько не счел результат разочаровывающим. «Таким образом, они не увидели [изменения] в экспрессии генов. Это был именно тот ответ, которого они ожидали», — сказал он. «Но факт в том, что это крутой результат».

На протяжении многих десятилетий исследователи предполагали, что двигательные цепи «существуют так, как они будут использоваться», — сказал Кац. Это означает, что инициирование такого поведения, как ходьба или плавание, — это просто вопрос включения правильной цепи. С этой точки зрения, развитие нового поведения потребует совершенно новой схемы схемы. Но в исследованиях столь разнообразных организмов, как ракообразные, морские слизни а теперь, возможно, и змей, исследователи обнаруживают, что взаимодействие с нейромодуляторами и другие химические вещества могут модулировать активность, которую вызывает цепь, заставляя одни и те же сети клеток производить совершенно разное поведение.

Новое исследование, по словам Каца, намекает на то, что игра с этой пластичностью может стать способом развития нового двигательного поведения. Возможно, разница между погремушкой и поведением тела связана с тонкими различиями в химическом окружении их клеток, а не со структурой или выражением самого ионного канала.

«Для многих эволюционных модификаций ваша основная цель — не сломать животное, верно?» — сказал Бэгналл. «Все, что вы можете сделать, чтобы настроить черты характера, не превращаясь в переключатель включения/выключения, является мощным средством стимулирования изменений, не принося при этом глубокого вреда».

Токарная обработка и настройка

Новое исследование показывает, что можно настроить мотонейроны на совершенно разное поведение, настроив один-единственный белок. Но мотонейроны — это лишь часть мозаики движений. Они являются последним звеном в цепи, которая начинается с цепей в центральной нервной системе, известных как центральные генераторы паттернов, которые генерируют ритмические паттерны, необходимые при ходьбе или плавании. Эти восходящие цепи лучше изучены у других организмов, например, у рыбы-зебры. Следующим логическим шагом было бы разгадать загадку гремучих змей.

«Недостающее звено номер один, — сказал Кац, — это как создать частоту стука? Откуда это взялось?»

Шагно хочет выяснить, настраивает ли подобный Штельшраубе двигательные нейроны у другого вида, которого опасаются из-за его укуса. Как и гремучие змеи, пираньи выполняют два ритмических движения с совершенно разной частотой: плавание с частотой до шести циклов в секунду и вибрацию плавательного пузыря с частотой до 140 циклов в секунду, издавая звуки, похожие на лай, тявканье и барабанный бой. Однако, в отличие от гремучих змей, пираньи используют один и тот же участок позвоночника для управления обоими типами движений.

«Интересно узнать, будет ли это КВ7_2/3? Мы понятия не имеем», — сказал Шагно. «Нашла ли эволюция такое же решение той же проблемы?»

У него есть сомнения. Хотя он надеется найти аналогичный механизм, удивительное – и порой разочаровывающее – открытие у гремучих змей «стало откровением», сказал он. Эволюция — это не человек-проектировщик с определенной целью. Его методы загадочны, а набор инструментов огромен. «И у вас есть очень разные винты, которые вы можете крутить».