Belangrijk neuron dat beweging in wormen regelt ontdekt, belangrijk voor behandeling bij mensen

Onderzoekers van Sinai Health en de Universiteit van Toronto hebben een mechanisme ontdekt in het zenuwstelsel van de kleine rondworm C. elegans dat belangrijke implicaties kan hebben voor de behandeling van menselijke ziekten en de ontwikkeling van robotica.

Het onderzoek, onder leiding van Mei Zhen en collega's van het Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute, is gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances en onthult de sleutelrol die een specifiek neuron met de naam AVA speelt bij het controleren van het vermogen van de worm om te schakelen tussen voorwaartse en achterwaartse bewegingen.

Het is essentieel voor wormen om naar voedselbronnen te kruipen en zich snel terug te trekken voor gevaar. Dit gedrag, waarbij beide acties elkaar uitsluiten, is kenmerkend voor veel dieren, waaronder mensen, die niet tegelijkertijd kunnen zitten en rennen.

Wetenschappers geloven al lang dat bewegingscontrole bij wormen tot stand komt door de simpele interactie tussen twee neuronen: AVA en AVB. Men dacht dat de eerste achterwaartse beweging bevorderde, de tweede voorwaartse beweging, waarbij beide de ander remden om de bewegingsrichting te bepalen.

Nieuwe gegevens van Zhens team weerleggen deze visie echter en onthullen een complexere interactie waarbij het AVA-neuron een dubbele rol speelt. Het stopt niet alleen onmiddellijk de voorwaartse beweging door AVB te onderdrukken, maar het houdt ook de stimulatie van AVB langdurig in stand om een soepele overgang naar voorwaartse beweging te garanderen.

Deze ontdekking benadrukt het vermogen van het AVA-neuron om bewegingen nauwkeurig te controleren via verschillende mechanismen, afhankelijk van verschillende signalen en op verschillende tijdschalen.

"Vanuit technisch oogpunt is dit een zeer economisch ontwerp", zegt Zheng, hoogleraar moleculaire genetica aan de Temerty School of Medicine van de Universiteit van Toronto. "Sterke, aanhoudende remming van de feedbacklus stelt het dier in staat te reageren op ongunstige omstandigheden en te ontsnappen. Tegelijkertijd blijft het controleneuron constant gas in de voorwaartse lus pompen om zich naar veilige locaties te verplaatsen."

Jun Meng, een voormalige doctoraalstudent in het laboratorium van Zheng die het onderzoek leidde, zei dat inzicht in de manier waarop dieren van de ene naar de andere tegengestelde motorische toestand overgaan, essentieel is voor het begrijpen van hoe dieren bewegen, en ook voor onderzoek naar neurologische aandoeningen.

De ontdekking van de dominante rol van het AVA-neuron biedt nieuwe inzichten in de neurale circuits die wetenschappers bestuderen sinds de opkomst van de moderne genetica meer dan een halve eeuw geleden. Zhengs laboratorium heeft met succes geavanceerde technologie ingezet om de activiteit van individuele neuronen nauwkeurig te moduleren en gegevens vast te leggen van levende wormen in beweging.

Zhen, eveneens hoogleraar cel- en systeembiologie aan de Faculteit der Letteren en Wetenschappen van de Universiteit van Toronto, benadrukt het belang van interdisciplinaire samenwerking in deze studie. Meng voerde de belangrijkste experimenten uit en Bin Yu, promovendus in het laboratorium van Shangbang Gao aan de Huazhong University of Science and Technology in China, verrichtte elektrische metingen van neuronen.

Tosif Ahmed, voormalig postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Zheng en nu Theory Fellow bij de Janelia Research Campus van HHMI in de VS, leidde de wiskundige modellering die belangrijk was voor het testen van hypothesen en het verkrijgen van nieuwe inzichten.

AVA en AVB hebben verschillende membraanpotentiaalbereiken en dynamieken. Bron: Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk0002

De bevindingen van het onderzoek bieden een vereenvoudigd model voor het bestuderen van de wijze waarop neuronen meerdere rollen kunnen vervullen bij de controle van bewegingen. Dit concept kan ook worden toegepast op neurologische aandoeningen bij de mens.

De dubbele rol van AVA hangt bijvoorbeeld af van zijn elektrische potentiaal, dat wordt gereguleerd door ionenkanalen op zijn oppervlak. Zheng onderzoekt al hoe vergelijkbare mechanismen betrokken kunnen zijn bij een zeldzame aandoening die bekendstaat als het CLIFAHDD-syndroom, veroorzaakt door mutaties in vergelijkbare ionenkanalen. De nieuwe bevindingen kunnen ook van nut zijn voor het ontwerp van adaptievere en efficiëntere robotsystemen die complexe bewegingen kunnen uitvoeren.

"Van de oorsprong van de moderne wetenschap tot baanbrekend onderzoek vandaag de dag hebben modelorganismen zoals C. elegans een belangrijke rol gespeeld bij het ontrafelen van de complexiteit van onze biologische systemen", aldus Anne-Claude Gingras, directeur van het Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute en vice-president onderzoek bij Sinai Health. "Deze studie is een prachtig voorbeeld van hoe we van eenvoudige dieren kunnen leren en die kennis kunnen toepassen om de geneeskunde en technologie vooruit te helpen."