Scoperto il neurone principale che controlla il movimento dei vermi, importante per la cura degli esseri umani

I ricercatori del Sinai Health e dell'Università di Toronto hanno scoperto un meccanismo nel sistema nervoso del piccolo nematode C. Elegans che potrebbe avere implicazioni significative per il trattamento delle malattie umane e lo sviluppo della robotica.

Lo studio, condotto da Mei Zhen e dai suoi colleghi del Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute, è stato pubblicato su Science Advances e rivela il ruolo chiave di uno specifico neurone chiamato AVA nel controllare la capacità del verme di passare dal movimento avanti a quello indietro.

È estremamente importante che i vermi strisciano verso le fonti di cibo e si ritirino rapidamente dal pericolo. Questo comportamento, quando due azioni si escludono a vicenda, è tipico di molti animali, compresi gli esseri umani, che non possono sedersi e correre allo stesso tempo.

Gli scienziati credono da tempo che il controllo del movimento nei vermi sia ottenuto attraverso semplici azioni reciproche di due neuroni: AVA e AVB. Si pensava che il primo favorisse il movimento all'indietro e il secondo quello in avanti, ciascuno sopprimendo l'altro per controllare la direzione del movimento.

Tuttavia, nuovi dati provenienti dal team di Zhen mettono in discussione questa nozione, rivelando un'interazione più complessa in cui il neurone AVA svolge un duplice ruolo. Non solo arresta immediatamente il movimento in avanti sopprimendo l'AVB, ma mantiene anche la stimolazione AVB a lungo termine per garantire una transizione graduale dal movimento in avanti.

Questa scoperta evidenzia la capacità del neurone AVA di controllare con precisione il movimento attraverso diversi meccanismi a seconda dei diversi segnali e su diverse scale temporali.

"Da un punto di vista ingegneristico, questo è un progetto molto conveniente", afferma Zhen, professore di genetica molecolare presso la Facoltà di Medicina Temerty dell'Università di Toronto. "La soppressione forte e prolungata del circuito di feedback consente agli animali di rispondere a condizioni sfavorevoli e di fuggire. Allo stesso tempo, il neurone di controllo continua a fornire gas costante al circuito anteriore per spostarsi verso luoghi sicuri."

Jun Meng, un ex dottorando del laboratorio di Zhen che ha condotto lo studio, ha affermato che comprendere come gli animali transitano tra stati motori così opposti è fondamentale per comprendere come si muovono gli animali, nonché per la ricerca sui disturbi neurologici. p>

La scoperta del ruolo dominante del neurone AVA offre nuove informazioni sui circuiti neurali che gli scienziati hanno studiato dall'avvento della genetica moderna, più di mezzo secolo fa. Il laboratorio di Zhen ha utilizzato con successo una tecnologia avanzata per modulare con precisione l'attività dei singoli neuroni e registrare dati provenienti da vermi vivi in movimento.

Zhen, anche professore di biologia cellulare e dei sistemi presso la Facoltà di Arti e Scienze dell'Università di Toronto, sottolinea l'importanza della collaborazione interdisciplinare in questa ricerca. Meng ha condotto gli esperimenti chiave e le registrazioni elettriche dei neuroni sono state eseguite da Bing Yu, Ph.D., uno studente del laboratorio di Shanban Gao presso l'Università di Scienza e Tecnologia di Huazhong in Cina.

Tosif Ahmed, ex ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Zhen e ora ricercatore teorico presso l'HHMI Janelia Research Campus negli Stati Uniti, ha guidato la modellazione matematica importante per testare ipotesi e generare nuova conoscenza.

AVA e AVB hanno intervalli e dinamiche di potenziale di membrana diversi. Fonte: Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk0002

I risultati dello studio forniscono un modello semplificato per studiare come i neuroni possono orchestrare più ruoli nel controllo del movimento, un concetto che può essere applicato alle condizioni neurologiche umane.

Ad esempio, il duplice ruolo di AVA dipende dal suo potenziale elettrico, che è regolato da canali ionici sulla sua superficie. Zhen sta già studiando come meccanismi simili possano essere coinvolti in una rara condizione nota come sindrome CLIFAHDD, causata da mutazioni in canali ionici simili. Le nuove scoperte potrebbero anche favorire lo sviluppo di sistemi robotici più adattivi ed efficienti in grado di eseguire movimenti complessi.

"Dalle origini della scienza moderna fino alla ricerca all'avanguardia di oggi, gli organismi modello come C. Elegans svolgono un ruolo importante nello svelare la complessità dei nostri sistemi biologici", ha affermato Anne-Claude Gingras, direttrice del Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute e vicepresidente della ricerca presso Sinai Health. "Questa ricerca è un ottimo esempio di come possiamo imparare dagli animali semplici e applicare tale conoscenza per far avanzare la medicina e la tecnologia."