Крихітні налаштування нейронів можуть змінити рух тварин | Журнал Quanta

У березні 2019 року в потязі, який прямував з Мюнхена на південний захід, нейробіолог Максиміліан Боте обережно стиснув кулер на колінах. У ньому не було його обіду. Усередині була тканина з півдюжини спинного мозку гримучої змії, упакованої в лід — спеціальна доставка для його нового наукового радника Борис Шано, поведінковий нейробіолог з іншого боку Альп. У своїй лабораторії в Університеті Граца в Австрії Шагно підтримує звіринець водних тварин, які пересуваються незвичайними способами — від піраній і сомів, які барабанять повітряними міхурами, виробляючи звук, до мулистих стрибунів, які стрибають на суші на двох плавниках. Шано вивчає та порівнює нейронні ланцюги цих істот, щоб зрозуміти, як можуть розвиватися нові способи пересування, а Боте приніс свої шипи гримучої змії, щоб приєднатися до цього заходу.

Шляхи пересування тварин такі ж незліченні, як і сам тваринний світ. Вони ходять, бігають, плавають, повзають, літають і ковзають — і в кожній із цих категорій міститься величезна кількість тонко різних типів рухів. І чайка, і колібрі мають крила, але в іншому їх техніка польоту та здібності відрізняються один від одного. І косатки, і піраньї мають хвости, але плавають вони по-різному. Навіть людина, яка йде чи біжить, рухає своїм тілом принципово різними способами.

Темп і тип рухів, які може виконувати дана тварина, встановлюються біологічними засобами: нервами, м’язами та кістками, функції яких пов’язані неврологічними обмеженнями. Наприклад, темп ходьби хребетних встановлюється ланцюгами в їхніх хребтах, які запускаються без будь-якого свідомого введення з боку мозку. Темп цього руху визначається властивостями нейронних кіл, які ними керують.

Щоб тварина виробила новий спосіб пересування, щось у її неврологічних схемах має змінитися. Шано хоче описати, як саме це відбувається.

«В еволюції ви не просто винаходите велосипед. Ви берете фрагменти, які вже були, і змінюєте їх», — сказав він. «Як змінити ті компоненти, які є спільними для багатьох різних видів, щоб створити нову поведінку?»

Нещодавно його команда знайшла одну відповідь на це запитання в своїх експериментах із гримучими зміями Боте — організмом, який має два чітких темпи рухів, вбудовані в одне довге, тонке тіло.

Їх результати, опубліковані в Current Biology у січні визначив, як вправляння з єдиним білком — калієвим іонним каналом — може змусити моторні нейрони швидкого спрацьовування з брязкаючого хвоста змії поводитися більше як мляві моторні нейрони з її хвилястого тіла, і навпаки. Це відкриття є доказом того, що, здавалося б, мінімальні зміни у фізіології тварини можуть перетворити ту саму команду нервової системи на різні способи руху.

«Що, на мою думку, було особливо унікальним і цікавим у цьому дослідженні, так це те, що вони зосередилися на моторних нейронах, які виконують дві дуже різні функції, але в одній тварині», — сказав нейробіолог. Марта Багналл Вашингтонського університету в Сент-Луїсі, який не брав участі в роботі. «Дивлячись на них у межах однієї тварини, вони отримали справді гарне, тісне порівняння».

Це відкриття вказує на те, як тварини на дереві життя можуть розвивати нову поведінку. Налаштування потрібної частини біологічного механізму — у цьому випадку конкретного іонного каналу — може різко змінити продуктивність, так само, як обертання регулятора гучності на гучномовці. Evolution може діяти спочатку на елементах керування, а не переробляти всю машину.

"Це був дуже чистий результат", - сказав Пол Кац, поведінковий нейробіолог з Університету Массачусетса, Амгерст, який також не брав участі в роботі. «І, знаєте, гримучі змії — вони круті».

Установчі гвинти

Шано не цікавиться гримучими зміями як такими. «Я щойно побачив цікаве біологічне запитання», — сказав він. «Я науковий опортуніст».

Його команда вивчає організми, які, на їхню думку, виявлять те, що вони називають еволюційною поведінкою Stellschrauben. Німецьке слово буквально означає «настановні гвинти», хоча це незручний переклад: Stellschrauben — це маленькі елементи керування, які регулюють параметри більшої машини. Якщо машина — це нервова система, а параметри — це безпосередня поведінка, Stellschrauben — це біологічні перемикачі, тригери та ручки, які лише з невеликим налаштуванням змінюють поведінку тварин настільки різко, що це матиме еволюційні наслідки.

Гримучі змії дають можливість зрозуміти, як біологія змінює налаштування швидкості в одній тварині. Дослідникам, які цікавляться такими питаннями, часто доводиться порівнювати різні види з контрастною поведінкою — скажімо, чайку та колібрі, які літають, але рухаються по-різному з різною швидкістю. Однак у цьому випадку важко визначити, яка з багатьох біологічних відмінностей між двома видами лежить в основі варіації в одній руховій поведінці. Порівняння повільного ковзання гримучої змії з її швидким брязканням дозволяє уникнути проблеми порівняння яблук з апельсинами або анчоусів з косатками.

Це розуміння — що гримучі змії мають два способи пересування в одному тілі — стало причиною того, що Боте сидів у потязі з Мюнхена до Граца з кулером, повним зміїних шипів.

Повернувшись у Грац, він помістив спинну тканину гримучої змії в агар, різновид желатину, і зробив тонкі, як бритва, шматочки для мікроскопії. Візуально мотонейрони брязкальця та тіла змії здавалися абсолютно однаковими. Але коли Боте використав електрод для перевірки їхніх електричних властивостей, він виявив разючі відмінності.

Нейрони змінюють свою електричну активність за допомогою насосів і каналів, вбудованих у клітинні мембрани, щоб контролювати потік заряджених іонів, таких як калій і натрій. У стані спокою нейрони зберігають внутрішнє середовище більш негативно заряджене, ніж зовнішнє середовище, підтримуючи напругу на мембрані спокою приблизно –70 мілівольт. Потім, коли сигнали від інших нейронів підвищують напругу на мембрані, клітина «спрацьовує» — вона відкриває шлюзи своїх іонних каналів і дозволяє позитивним іонам протікати всередину, створюючи швидкий стрибок напруги.

Цей стрибок напруги, званий потенціалом дії, проходить уздовж клітинної мембрани нейрона, доки не досягає синапсу, межі між нейроном та іншою клітиною, де він ініціює вивільнення хімічних речовин, які називаються нейромедіаторами. У випадку рухових нейронів і м’язів вивільнення нейромедіатора ацетилхоліну змушує м’яз скорочуватися.

За його словами, Боте виявив, що електричний струм, необхідний для досягнення порогової напруги та запуску мотонейронів тіла змії, був «набагато нижчим, ніж для брязкаючих моторних нейронів». «Вам потрібно ввести набагато більше струму в [брязкаючий] нейрон, щоб він запрацював». Порівняно з мотонейронами, рухові нейрони тіла реагували повільніше.

Оскільки брязкітні нейрони спрацьовують лише у відповідь на сильні, очевидні сигнали, вони мають меншу ймовірність осічки через слабкі флуктуації неврологічного фонового шуму. Вони менш стрибкі та більш точні, що дозволяє їм передавати високочастотні сигнали.

Визначивши цю різницю між брязкальцем і руховими нейронами тіла, наступним кроком було знайти Stellschrauben, який ним керує.

Проби і помилки

Нейрони — це клітини, а не машини, що означає, що вони мають безладну біологічну складність. «Гвинт», який шукали Боте та Шано, який керував би електричними властивостями мотонейрона, міг бути чим завгодно: від тонкої зміни в структурі мембранного білка до прояву абсолютно іншого набору іонних насосів і каналів. Тим не менш, у дослідників були вагомі підстави вважати, що їх Stellschrauben включатиме канал іонів калію. Попередні дослідження нейронів показали, що ці канали важливі для налаштування точності нейронів, але їхня роль у регулюванні поведінки моторних нейронів була незрозумілою.

«Скажімо, є певний інструментарій, доступний для еволюції», — сказав Боте. «Тож, можливо, тут ті самі іонні канали».

На пошук точного каналу пішли роки проб і помилок. Порівняння того, як клітини тіла та брязкальця експресують гени калієвих каналів, не виявило істотних відмінностей. Тож Шано та Боте пішли вперед, випробовуючи дію препаратів, призначених для блокування певних типів каналів. Нарешті вони знайшли канал, який у разі блокування генерував різні швидкості руху: калієвий канал під назвою KV7_2/3.

Тоді обидва провели більш точні експерименти, використовуючи ліки для посилення та перешкоджання діяльності каналу. Коли він обмежив канал у моторних нейронах, що тріскають, вони стріляли млявіше й неточніше, наче були мотонейронами тіла. Потім, коли він посилив канал іонів калію, він спостерігав протилежний ефект: мотонейрони тіла спрацьовували швидко й точно, як моторні нейрони брязкальця.

Це було так, ніби цей іонний канал був циферблатом, який міг перекручувати один тип нейронів в інший. Але чим насправді відрізнявся цей білок у тілі змії та брязкальця?

Спочатку дослідники вважали, що мотонейрони брязкання повинні мати додатковий KV7_2/3 калієві канали. Якби нейрони брязкальця мали більше каналів, вважають вчені, вони могли б швидше розряджати іони, знижуючи напругу, щоб підготувати канали до швидкого повторного запуску.

Щоб з’ясувати це, Боте та Шано вилучили та секвенували РНК з обох типів моторних нейронів гримучої змії та надіслали дані до Джейсон Галлант, еволюційний біолог з Університету штату Мічіган, щоб він міг порівняти експресію KV7_2/3 канальний ген між двома тканинами. Ген KV7_2/3 каналів однаковий у кожній клітині тіла тварини — але якби нейрони брязкальця мали більше KV7_2/3 каналів, дослідники очікують більшої експресії генів у цій тканині.

На жаль, їх просте пояснення не було доведено. «Насправді немає різниці в рівні експресії генів у цих калієвих каналах, що розчарувало», — сказав Галлант. «Але я думаю, що це відкриває більш реалістичний погляд на біологію».

Варіації в експресії гена забезпечили б простий, відкритий і закритий спосіб пояснити, як регулюються еволюційні гвинти рухових нейронів гримучої змії. Але біологія пропонує інші можливості. Шано та Боте припустили, що після того, як канальні білки будуть сконструйовані з генетичного плану, вони можуть бути модифіковані в дещо інші форми, які керують іонами по-різному. Потрібні додаткові дослідження, щоб визначити деталі — щоб знайти елемент керування, який регулює керування.

Зі свого боку, Кац зовсім не вважав результат розчаровуючим. «Тож вони не помітили [зміни в] експресії генів. Це була відповідь, яку вони очікували», – сказав він. «Але справа в тому, що це класний результат».

Протягом багатьох десятиліть дослідники припускали, що рухові схеми «існують у тому вигляді, в якому вони будуть використовуватися», — сказав Кац, — це означає, що ініціювання такої поведінки, як ходьба чи плавання, — це просто питання ввімкнення правильної схеми. З цієї точки зору, розвиток нової поведінки вимагатиме абсолютно нової схеми схеми. Але в дослідженнях настільки різноманітних організмів, як ракоподібні, морські слимаки і тепер, можливо, змії, дослідники знаходять це взаємодія з нейромодуляторами та інші хімічні речовини можуть модулювати активність, яку викликає ланцюг, змушуючи ті самі мережі клітин виробляти помітно різну поведінку.

Нове дослідження, сказав Кац, натякає на те, що гра з цією пластичністю може бути способом розвитку нової рухової поведінки. Можливо, різниця між брязкальцем і поведінкою тіла пов’язана з тонкими відмінностями в хімічному середовищі їхніх клітин, а не зі структурою чи експресією самого іонного каналу.

«Для багатьох еволюційних модифікацій ваша головна мета — не зламати тварину, правда?» — сказав Бегналл. «Усе, що ви можете зробити, щоб налаштувати риси, не стаючи перемикачем увімкнення/вимкнення, є потужним засобом стимулювання змін, не будучи глибоко шкідливим».

Точіння і настройка

Це нове дослідження показує, що можна налаштувати моторні нейрони на дуже різну поведінку, налаштувавши один білок. Але рухові нейрони — це лише одна частина головоломки руху. Вони є останньою ланкою в ланцюзі, який починається з ланцюгів у центральній нервовій системі, відомих як центральні генератори патернів, які генерують ритмічні патерни під час ходьби чи плавання. Ці ланцюги вище за течією краще зрозумілі в інших організмах, як-от у рибок даніо. Що стосується гримучих змій, наступним логічним кроком було б розгадати їх.

«Ланка номер один, якої не вистачає, — сказав Кац, — це як створити частоту для брязкальця? Звідки це?»

Chagnaud прагне дізнатися, чи подібний Stellschraube налаштовує моторні нейрони в інших видів, які побоюються його укусу. Подібно до гримучих змій, піраньї виконують два ритмічні рухи з радикально різною частотою: плавання з частотою до шести циклів на секунду та вібрацію своїх плавальних міхурів із частотою до 140 циклів на секунду, створюючи звуки, схожі на гавкіт, визг і барабанний бій. Однак, на відміну від гримучих змій, піраньї використовують один і той же відділ хребта для контролю обох типів рухів.

«Мені цікаво знати, чи буде це KV7_2/3? Ми поняття не маємо", - сказав Шано. «Чи знайшла еволюція те саме вирішення тієї ж проблеми?»

У нього є свої сумніви. Незважаючи на те, що він сподівається знайти подібний механізм, дивовижне — і іноді розчаровує — відкриття у гримучих змій «відкрило очі», сказав він. Еволюція не є людиною-дизайнером із певною метою. Його методи таємничі, а інструментарій величезний. «І у вас є дуже різні гвинти, які ви можете закрутити».