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Meisterneuron, das die Bewegung bei Würmern steuert, entdeckt, wichtig für die Behandlung von Menschen

 
, Medizinischer Redakteur
Zuletzt überprüft: 14.06.2024
 
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17 May 2024, 08:55

Forscher von Sinai Health und der University of Toronto haben einen Mechanismus im Nervensystem des kleinen Spulwurms C. Elegans entdeckt, der erhebliche Auswirkungen auf die Behandlung menschlicher Krankheiten und die Entwicklung der Robotik haben könnte.

Die von Mei Zhen und ihren Kollegen am Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute geleitete Studie wurde in Science Advances veröffentlicht und enthüllt die Schlüsselrolle eines bestimmten Neurons namens AVA bei der Steuerung der Fähigkeit des Wurms, zwischen Vorwärts- und Rückwärtsbewegung zu wechseln.

Für Würmer ist es äußerst wichtig, zu Nahrungsquellen zu kriechen und sich schnell aus der Gefahrenzone zurückzuziehen. Dieses Verhalten, bei dem sich zwei Aktionen gegenseitig ausschließen, ist typisch für viele Tiere, einschließlich des Menschen, der nicht gleichzeitig sitzen und laufen kann.

Wissenschaftler haben lange geglaubt, dass die Bewegungskontrolle bei Würmern durch einfache wechselseitige Aktionen zweier Neuronen erfolgt: AVA und AVB. Ersteres soll die Rückwärtsbewegung fördern und letzteres die Vorwärtsbewegung, wobei jedes das andere unterdrückt, um die Bewegungsrichtung zu kontrollieren.

Neue Daten von Zhens Team stellen diese Vorstellung jedoch in Frage und enthüllen eine komplexere Interaktion, bei der das AVA-Neuron eine Doppelrolle spielt. Es stoppt nicht nur sofort die Vorwärtsbewegung, indem es das AVB unterdrückt, sondern hält auch die langfristige AVB-Stimulation aufrecht, um einen sanften Übergang zurück zur Vorwärtsbewegung zu gewährleisten.

Dieser Befund unterstreicht die Fähigkeit des AVA-Neurons, die Bewegung durch verschiedene Mechanismen je nach unterschiedlichen Signalen und Zeitskalen fein zu steuern.

„Aus technischer Sicht ist dies ein sehr kostengünstiges Design“, sagt Zhen, Professor für Molekulargenetik an der Temerty Faculty of Medicine der Universität Toronto. „Eine starke und anhaltende Unterdrückung des Rückkopplungskreises ermöglicht es den Tieren, auf ungünstige Bedingungen zu reagieren und zu entkommen. Gleichzeitig versorgt das Kontrollneuron den Vorwärtskreis weiterhin konstant mit Gas, um sich an sichere Orte zu bewegen.“

Jun Meng, ein ehemaliger Doktorand in Zhens Labor, der die Studie leitete, sagte, dass das Verständnis, wie Tiere zwischen solchen gegensätzlichen motorischen Zuständen wechseln, der Schlüssel zum Verständnis der Fortbewegung von Tieren sowie zur Erforschung neurologischer Störungen ist. p>

Die Entdeckung der dominanten Rolle des AVA-Neurons bietet neue Einblicke in neuronale Schaltkreise, die Wissenschaftler seit dem Aufkommen der modernen Genetik vor mehr als einem halben Jahrhundert untersuchen. Zhens Labor hat erfolgreich fortschrittliche Technologie eingesetzt, um die Aktivität einzelner Neuronen präzise zu modulieren und Daten von lebenden Würmern in Bewegung aufzuzeichnen.

Zhen, auch Professor für Zell- und Systembiologie an der Fakultät für Geistes- und Naturwissenschaften der Universität Toronto, betont die Bedeutung der interdisziplinären Zusammenarbeit bei dieser Forschung. Meng führte die Schlüsselexperimente durch, und die elektrischen Aufzeichnungen der Neuronen wurden von Bing Yu, Ph.D., einem Studenten in Shanban Gaos Labor an der Huazhong University of Science and Technology in China durchgeführt.

Tosif Ahmed, ein ehemaliger Postdoktorand in Zhens Labor und jetzt theoretischer Fellow am HHMI Janelia Research Campus in den Vereinigten Staaten, leitete die mathematische Modellierung, die für das Testen von Hypothesen und die Generierung neuen Wissens wichtig war.

AVA und AVB haben unterschiedliche Membranpotentialbereiche und -dynamiken. Quelle: Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk0002

Die Studienergebnisse liefern ein vereinfachtes Modell zur Untersuchung, wie Neuronen mehrere Rollen bei der Bewegungssteuerung orchestrieren können, ein Konzept, das auf neurologische Erkrankungen des Menschen angewendet werden kann.

Beispielsweise hängt die Doppelrolle von AVA von seinem elektrischen Potenzial ab, das durch Ionenkanäle auf seiner Oberfläche reguliert wird. Zhen untersucht bereits, wie ähnliche Mechanismen an einer seltenen Erkrankung namens CLIFAHDD-Syndrom beteiligt sein könnten, die durch Mutationen in ähnlichen Ionenkanälen verursacht wird. Die neuen Erkenntnisse könnten auch zur Entwicklung adaptiverer und effizienterer Robotersysteme beitragen, die komplexe Bewegungen ausführen können.

„Von den Anfängen der modernen Wissenschaft bis zur Spitzenforschung heute spielen Modellorganismen wie C. Elegans eine wichtige Rolle bei der Entschlüsselung der Komplexität unserer biologischen Systeme“, sagte Anne-Claude Gingras, Direktorin des Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute und Vizepräsidentin für Forschung bei Sinai Health. „Diese Forschung ist ein großartiges Beispiel dafür, wie wir von einfachen Tieren lernen und dieses Wissen anwenden können, um Medizin und Technologie voranzubringen.“

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