Drobne prilagoditve nevronov lahko preoblikujejo gibanje živali | Revija Quanta

Marca 2019 je nevroznanstvenik na vlaku, ki je peljal proti jugozahodu iz Münchna Maksimilijan Bothe prilagodil svoj previdni oprijem hladilnika v naročju. Ni vsebovalo njegovega kosila. Notri je bilo tkivo iz pol ducata hrbtenjače klopotače, zapakirane v led – posebna pošiljka za njegovega novega raziskovalnega svetovalca Boris Chagnaud, vedenjski nevroznanstvenik, ki živi na drugi strani Alp. Chagnaud v svojem laboratoriju na Univerzi v Gradcu v Avstriji vzdržuje menažerijo vodnih živali, ki se gibljejo na nenavaden način - od piranj in somov, ki bobnajo po zračnih mehurjih, da proizvajajo zvok, do skakačev, ki skakljajo po kopnem na dveh plavutih. Chagnaud proučuje in primerja nevronska vezja teh bitij, da bi razumel, kako bi se lahko razvili novi načini premikanja, Bothe pa je prinesel svoje bodice klopotače, da bi se pridružil prizadevanju.

Načinov, kako se živali premikajo, je skoraj tako nešteto kot živalsko kraljestvo samo. Hodijo, tečejo, plavajo, plazijo, letijo in drsijo - in v vsaki od teh kategorij je ogromno subtilno različnih vrst gibanja. Galeb in kolibri imata oba krila, sicer pa sta njuni tehniki letenja in sposobnosti drugačni. Orke in piraje imajo repove, vendar plavajo zelo različno. Tudi človek, ki hodi ali teče, premika svoje telo na bistveno drugačne načine.

Tempo in vrsto gibov, ki jih lahko izvaja določena žival, določa biološka oprema: živci, mišice in kosti, katerih funkcije so omejene z nevrološkimi omejitvami. Na primer, tempo hoje vretenčarjev določajo vezja v hrbtenici, ki se sprožijo brez zavestnega vnosa možganov. Hitrost tega gibanja narekujejo lastnosti nevronskih vezij, ki jih nadzorujejo.

Da bi žival razvila nov način gibanja, se mora spremeniti nekaj v njenem nevrološkem vezju. Chagnaud želi natančno opisati, kako se to zgodi.

»V evoluciji ne izumiš kolesa. Vzameš kose, ki so že bili tam, in jih spremeniš,« je dejal. "Kako spremenite tiste komponente, ki si jih deli veliko različnih vrst, da ustvarite novo vedenje?"

Pred kratkim je njegova ekipa našla en odgovor na to vprašanje v svojih poskusih z Bothejevimi klopotačami – organizmom, ki ima dva različna tempa gibanja, vgrajena v eno dolgo, vitko telo.

Njihovi rezultati, objavljeno v Trenutna Biology januarja ugotovil, kako bi lahko petljanje z enim samim proteinom – kanalom kalijevih ionov – povzročilo, da bi se hitro sprožilni motorični nevroni iz kačjega rožljajočega repa obnašali bolj kot počasni motorični nevroni iz njenega valovitega telesa in obratno. Ugotovitev je dokaz, da lahko navidezno majhne spremembe v fiziologiji živali prevedejo isti ukaz iz živčnega sistema v različne načine gibanja.

"Kar se mi je zdelo posebno edinstveno in zanimivo pri tej študiji, je to, da so se osredotočili na motorične nevrone z dvema zelo različnima nalogama, vendar znotraj iste živali," je dejal nevroznanstvenik. Martha Bagnall Univerze Washington v St. Louisu, ki ni bil vključen v delo. "Če so jih pogledali znotraj ene živali, so dobili to res lepo in tesno primerjavo."

Ugotovitev kaže na način, kako lahko živali na drevesu življenja razvijejo novo vedenje. Prilagoditev pravega dela biološkega stroja - v tem primeru specifičnega ionskega kanala - lahko drastično spremeni delovanje, tako kot vrtenje gumba za glasnost na zvočniku. Evolucija lahko najprej deluje na krmilje, namesto da bi predelala celoten stroj.

"To je bil zelo čist rezultat," je dejal Paul Katz, vedenjski nevroznanstvenik na univerzi Massachusetts, Amherst, ki prav tako ni bil vključen v delo. "In, veš, klopotače - kul so."

Nastavitveni vijaki

Chagnauda same po sebi ne zanimajo klopotače. "Pravkar sem videl zanimivo biološko vprašanje," je rekel. "Sem znanstveni oportunist."

Njegova ekipa preučuje organizme, za katere menijo, da bodo razkrili, čemur pravijo, da je vedenje evolucijsko Stellschrauben. Nemška beseda dobesedno pomeni "nastavitveni vijaki", čeprav je to neroden prevod: Stellschrauben so majhne kontrole, ki prilagajajo nastavitve večjega stroja. Če je stroj živčni sistem in so nastavitve neposredno vedenje, so Stellschrauben biološka stikala, sprožilci in gumbi, ki z le malo prilagoditvijo spremenijo vedenje živali dovolj dramatično, da imajo evolucijske posledice.

Klopotače so priložnost za razumevanje, kako biologija spreminja nastavitve hitrosti pri eni sami živali. Raziskovalci, ki jih zanimajo takšna vprašanja, morajo pogosto primerjati različne vrste s kontrastnim vedenjem - recimo galeba in kolibrija, ki oba letita, vendar se gibljeta različno in z različnimi hitrostmi. Vendar je v tem primeru težko določiti, katera od številnih bioloških razlik med obema vrstama podpira variacije v posameznem gibalnem vedenju. Če primerjamo počasno drsenje klopotače z njenim hitrim rožljanjem, se izognemo težavi primerjave jabolk s pomarančami ali sardonov z orkami.

To spoznanje – da se klopotače v enem telesu premikajo na dva načina – je razlog, zakaj se je Bothe znašel na vlaku iz Münchna v Gradec s hladilnikom, polnim kačjih bodic.

V Gradcu je hrbtenično tkivo klopotca vdelal v agar, vrsto želatine, in naredil kot britev tanke rezine za mikroskopiranje. Vizualno so se motorični nevroni iz kačjega ropotanja in telesa zdeli povsem enaki. Ko pa je Bothe uporabil elektrodo, da bi preizkusil njihove električne lastnosti, je ugotovil osupljive razlike.

Nevroni spreminjajo svojo električno aktivnost z uporabo črpalk in kanalov, vdelanih v njihove celične membrane, da nadzorujejo pretok nabitih ionov, kot sta kalij in natrij. V mirovanju nevroni ohranjajo svojo notranjost bolj negativno nabito kot njihovo zunanje okolje, tako da vzdržujejo napetost membrane v mirovanju približno -70 milivoltov. Potem, ko signali iz drugih nevronov povečajo to napetost membrane, se celica "sproži" - odpre zapornice svojih ionskih kanalov in omogoči pretok pozitivnih ionov v notranjost, kar povzroči hiter skok napetosti.

Ta napetostni skok, imenovan akcijski potencial, se vije vzdolž celične membrane nevrona, dokler ne doseže sinapse, vmesnika med nevronom in drugo celico, kjer sproži sproščanje kemičnih snovi, imenovanih nevrotransmiterji. V primeru motoričnih nevronov in mišic sproščanje nevrotransmiterja acetilholina sporoči mišici, naj se skrči.

Bothe je ugotovil, da je električni tok, potreben za doseganje napetostnega praga in sprožitev motoričnega nevrona kačjega telesa, "precej nižji kot za ropotujoče motorične nevrone," je dejal. "Morate dati veliko več toka v [klopotec] nevron, da se sproži." V primerjavi z ropotajočimi motoričnimi nevroni so telesni motorični nevroni reagirali bolj počasi.

Ker se ropotajoči nevroni sprožijo samo kot odgovor na velike, očitne signale, je manj verjetno, da se bodo vžgali zaradi šibkih nihanj hrupa v nevrološkem ozadju. So manj poskočni in bolj natančni, kar jim omogoča posredovanje visokofrekvenčnih signalov.

Ko smo identificirali to razliko med ropotanjem in telesnimi motoričnimi nevroni, je bil naslednji korak najti Stellschrauben, ki ga nadzoruje.

Poskusov in napak

Nevroni so celice, ne stroji, kar pomeni, da imajo grdo biološko kompleksnost. »Vijak«, ki sta ga iskala Bothe in Chagnaud in ki bi nadzoroval električne lastnosti motoričnega nevrona, bi lahko bil karkoli, od subtilnega popravka v strukturi membranskega proteina do izražanja povsem drugačnega nabora ionskih črpalk in kanalov. Kljub temu so imeli raziskovalci dober razlog za domnevo, da bi njihov Stellschrauben vključeval kanal kalijevega iona. Prejšnje študije nevronov so pokazale, da so ti kanali pomembni za uravnavanje natančnosti nevronov, vendar je bila njihova vloga pri prilagajanju obnašanja motoričnih nevronov posebej nejasna.

"Obstaja določen nabor orodij, recimo, ki je na voljo evoluciji," je dejal Bothe. "Mogoče gre tukaj za iste ionske kanale."

Iskanje pravega kanala je trajalo leta poskusov in napak. Primerjava, kako so telesne in ropotujoče celice izražale gene za kalijeve kanale, ni pokazala bistvenih razlik. Tako sta Chagnaud in Bothe zaorala naprej s preizkušanjem učinkov zdravil, namenjenih blokiranju določenih vrst kanalov. Končno so našli kanal, ki je, ko je blokiran, ustvaril različne hitrosti gibanja: kalijev kanal, imenovan KV7_2/3.

Oba sta nato izvajala natančnejše poskuse, pri čemer sta uporabljala zdravila za povečanje in oviranje aktivnosti kanala. Ko je omejil kanal v ropotajočih motoričnih nevronih, so ti sprožili bolj počasi in nenatančno, kot da bi bili telesni motorični nevroni. Potem, ko je okrepil kanal kalijevega iona, je opazil nasprotni učinek: telesni motorični nevroni so se sprožili hitro in natančno, kot ropotujoči motorični nevroni.

Bilo je, kot da bi bil ta ionski kanal številčnica, ki bi lahko zasukala eno vrsto nevronov v drugo. Toda kaj je bilo pravzaprav drugače pri tej beljakovini v telesu kače in ropotulji?

Sprva so raziskovalci menili, da morajo ropotajoči motorični nevroni imeti dodaten KV7_2/3 kalijeve kanale. Znanstveniki so ugotovili, da bi imeli ropotulji nevroni več kanalov, potem bi lahko hitreje izpraznili ione in tako znižali napetost, da bi kanale pripravili na hitro ponovno sprožitev.

Da bi ugotovila, sta Bothe in Chagnaud ekstrahirala in sekvencirala RNA iz obeh vrst motoričnih nevronov klopotače in poslala podatke Jason Gallant, evolucijski biolog na državni univerzi Michigan, da bi lahko primerjal izražanje KV7_2/3 kanalski gen med obema tkivoma. Gen za KV7_2/3 kanalov je enak v vsaki celici živalskega telesa — če pa bi imeli nevroni ropota več KV7_2/3 kanalov, bi raziskovalci pričakovali večjo ekspresijo genov v tem tkivu.

Žal njihova preprosta razlaga ni bila dokazana. "V resnici ni nobene razlike v ravni izražanja genov v teh kalijevih kanalih, kar je bilo razočaranje," je dejal Gallant. "Ampak mislim, da odpira bolj realističen pogled na biologijo."

Različice v izražanju gena bi zagotovile preprost, odprt in zaprt način za razlago, kako se prilagajajo evolucijski vijaki na motoričnih nevronih klopotca. Toda biologija ponuja druge možnosti. Chagnaud in Bothe sta špekulirala, da bi jih lahko potem, ko so kanalske beljakovine zgrajene iz genetskega načrta, spremenili v nekoliko drugačne oblike, ki drugače upravljajo ione. Potrebnih bo več raziskav, da bi določili podrobnosti – da bi našli nadzor, ki prilagodi nadzor.

Katz pa rezultat sploh ni ocenil za razočaranje. »Torej niso opazili [spremembe] izražanja genov. To je bil odgovor, ki so ga pričakovali,« je dejal. "Toda dejstvo je, da je to kul rezultat."

Dolga desetletja so raziskovalci domnevali, da motorna vezja "obstajajo, kot se bodo uporabljala," je dejal Katz - kar pomeni, da je začetek vedenja, kot je hoja ali plavanje, preprosto stvar vklopa pravega vezja. S tega vidika bi razvoj novega vedenja zahteval popolnoma novo postavitev vezja. Toda v študijah tako raznolikih organizmov, kot je raki, morski polži in zdaj morda kače, to ugotavljajo raziskovalci interakcije z nevromodulatorji in druge kemikalije lahko modulirajo aktivnost, ki jo sproži vezje, zaradi česar iste mreže celic proizvedejo izrazito drugačna vedenja.

Nova študija, je dejal Katz, namiguje, da bi lahko bilo igranje s to plastičnostjo način za razvoj novih gibalnih vedenj. Morda je razlika med ropotanjem in telesnim vedenjem povezana s subtilnimi razlikami v kemičnih okoljih njihovih celic, ne pa s strukturo ali izrazom samega ionskega kanala.

"Za veliko evolucijskih sprememb je vaš glavni cilj, da živali ne zlomite, kajne?" je rekel Bagnall. "Vse, kar lahko storite, da prilagodite lastnosti, ne da bi postali stikalo za vklop/izklop, je močno sredstvo za spodbujanje sprememb, ne da bi bilo zelo škodljivo."

Struženje in uglaševanje

Ta nova študija kaže, da je možno uglasiti motorične nevrone za zelo različna vedenja s prilagoditvijo ene same beljakovine. Toda motorični nevroni so le del gibalne sestavljanke. So zadnji člen v verigi, ki se začne z vezji v osrednjem živčnem sistemu, znanimi kot osrednji generatorji vzorcev, ki ustvarjajo ritmične vzorce, vključene v hojo ali plavanje. Ta vezja navzgor se bolje razumejo pri drugih organizmih, kot so ribe zebre. Pri klopotačah bi bil naslednji logični korak njihovo odkrivanje.

»Manjkajoči člen številka ena,« je dejal Katz, »je, kako ustvarite frekvenco za klopotec? Od kod to prihaja?"

Chagnaud si želi izvedeti, ali podoben Stellschraube uglasi motorične nevrone pri drugi vrsti, ki se boji njegovega ugriza. Tako kot klopotače, pirane izvajajo dva ritmična giba z radikalno različnimi frekvencami: plavanje s frekvenco do šest ciklov na sekundo in vibriranje plavalnega mehurja s frekvenco do 140 ciklov na sekundo, da oddajajo zvoke, ki zvenijo kot lajež, jok in bobni. Za razliko od klopotač pa pirane uporabljajo isti del hrbtenice za nadzor obeh vrst gibanja.

»Zanima me, ali bo to KV7_2/3? Nimamo pojma,« je dejal Chagnaud. "Ali je evolucija našla enako rešitev za isti problem?"

Ima svoje dvome. Čeprav upa, da bo odkril podoben mehanizem, je presenetljivo - in včasih frustrirajoče - odkritje pri klopotačah "odprlo oči", je dejal. Evolucija ni človeški oblikovalec s ciljem v mislih. Njegove metode so skrivnostne, njegova orodjarna pa ogromna. "In imaš zelo različne vijake, ki jih lahko zavrtiš."