Scoperto il principale neurone che controlla il movimento nei vermi, importante per il trattamento umano

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

Lo studio, condotto da Mei Zhen e colleghi del Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute, è pubblicato sulla rivista Science Advances e rivela il ruolo chiave di uno specifico neurone chiamato AVA nel controllo della capacità del verme di passare dal movimento in avanti a quello indietro.

È essenziale per i vermi strisciare verso le fonti di cibo e ritirarsi rapidamente dal pericolo. Questo comportamento, in cui le due azioni si escludono a vicenda, è tipico di molti animali, compresi gli esseri umani, che non possono stare seduti e correre contemporaneamente.

Gli scienziati credono da tempo che il controllo del movimento nei vermi avvenga attraverso la semplice interazione di due neuroni: AVA e AVB. Si pensava che il primo promuovesse il movimento all'indietro, il secondo quello in avanti, e che ciascuno inibisse l'altro per controllare la direzione del movimento.

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

Questa scoperta mette in luce la capacità del neurone AVA di controllare finemente il movimento attraverso meccanismi diversi, a seconda dei diversi segnali e delle diverse scale temporali.

"Da un punto di vista ingegneristico, si tratta di un progetto molto economico", afferma Zheng, professore di genetica molecolare presso la Temerty School of Medicine dell'Università di Toronto. "Una forte e sostenuta inibizione del ciclo di feedback consente all'animale di reagire a condizioni avverse e di fuggire. Allo stesso tempo, il neurone di controllo continua a pompare gas costante nel ciclo di avanzamento per spostarsi verso luoghi sicuri."

Jun Meng, un ex dottorando nel laboratorio di Zheng che ha guidato lo studio, ha affermato che comprendere il modo in cui gli animali passano da uno stato motorio all'altro è fondamentale per comprendere come si muovono gli animali, nonché per la ricerca sui disturbi neurologici.

La scoperta del ruolo dominante del neurone AVA offre nuove prospettive sui circuiti neurali che gli scienziati studiano dall'avvento della genetica moderna, più di mezzo secolo fa. Il laboratorio di Zheng ha utilizzato con successo tecnologie all'avanguardia 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 Lettere e Scienze dell'Università di Toronto, sottolinea l'importanza della collaborazione interdisciplinare in questo studio. Meng ha condotto gli esperimenti chiave e le registrazioni elettriche dei neuroni sono state eseguite da Bin Yu, uno studente di dottorato nel laboratorio di Shangbang Gao presso l'Università di Scienza e Tecnologia di Huazhong in Cina.

Tosif Ahmed, ex ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Zheng e ora Theory Fellow presso il Janelia Research Campus dell'HHMI negli Stati Uniti, ha guidato la modellazione matematica, importante per testare le ipotesi e acquisire nuove intuizioni.

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 il modo in cui i neuroni possono svolgere molteplici ruoli nel controllo del movimento, un concetto che potrebbe essere applicato anche alle condizioni neurologiche umane.

Ad esempio, il duplice ruolo dell'AVA dipende dal suo potenziale elettrico, regolato dai canali ionici sulla sua superficie. Zheng 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 orientare la progettazione di sistemi robotici più adattabili ed efficienti, in grado di eseguire movimenti complessi.

"Dalle origini della scienza moderna alla ricerca d'avanguardia di oggi, organismi modello come C. elegans hanno svolto 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. "Questo studio è un ottimo esempio di come possiamo imparare da animali semplici e applicare tale conoscenza per far progredire la medicina e la tecnologia".