Wichtiges Neuron zur Steuerung von Bewegungen in Würmern entdeckt, wichtig für die Behandlung beim Menschen

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

Die von Mei Zhen und Kollegen am Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute geleitete Studie wurde in der Zeitschrift 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 lebenswichtig, zu Nahrungsquellen zu kriechen und sich bei Gefahr schnell zurückzuziehen. Dieses Verhalten, bei dem sich beide Aktionen gegenseitig ausschließen, ist typisch für viele Tiere, auch für den Menschen, der nicht gleichzeitig sitzen und rennen kann.

Wissenschaftler gingen lange davon aus, dass die Bewegungskontrolle bei Würmern durch das einfache Zusammenspiel zweier Neuronen erfolgt: AVA und AVB. Ersteres soll die Rückwärtsbewegung fördern, letzteres die Vorwärtsbewegung, wobei sich beide Neuronen gegenseitig hemmen und so die Bewegungsrichtung steuern.

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

Diese Entdeckung unterstreicht die Fähigkeit des AVA-Neurons, Bewegungen durch verschiedene Mechanismen in Abhängigkeit von unterschiedlichen Signalen und auf unterschiedlichen Zeitskalen fein zu steuern.

„Aus technischer Sicht ist dies ein sehr ökonomisches Design“, sagt Zheng, Professor für Molekulargenetik an der Temerty School of Medicine der Universität Toronto. „Die starke, anhaltende Hemmung der Rückkopplungsschleife ermöglicht es dem Tier, auf widrige Bedingungen zu reagieren und zu fliehen. Gleichzeitig pumpt das Kontrollneuron weiterhin konstant Gas in die Vorwärtsschleife, um sich an sichere Orte zu bewegen.“

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

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

Zhen, Professor für Zell- und Systembiologie an der Fakultät für Geistes- und Naturwissenschaften der Universität Toronto, betont die Bedeutung der interdisziplinären Zusammenarbeit in dieser Studie. Meng leitete die wichtigsten Experimente, und die elektrischen Aufzeichnungen der Neuronen wurden von Bin Yu, einem Doktoranden im Labor von Shangbang Gao an der Huazhong University of Science and Technology in China, durchgeführt.

Tosif Ahmed, ein ehemaliger Postdoktorand in Zhengs Labor und jetzt Theory Fellow am Janelia Research Campus des HHMI in den USA, leitete die mathematische Modellierung, die für das Testen von Hypothesen und das Gewinnen neuer Erkenntnisse wichtig war.

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

Die Ergebnisse der Studie liefern ein vereinfachtes Modell für die Untersuchung, wie Neuronen mehrere Rollen bei der Bewegungskontrolle übernehmen können – ein Konzept, das auch auf neurologische Erkrankungen des Menschen angewendet werden könnte.

Beispielsweise hängt die Doppelfunktion von AVA von seinem elektrischen Potenzial ab, das durch Ionenkanäle auf seiner Oberfläche reguliert wird. Zheng 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 hin zur heutigen Spitzenforschung haben Modellorganismen wie C. elegans eine wichtige Rolle bei der Erforschung der Komplexität unserer biologischen Systeme gespielt“, sagte Anne-Claude Gingras, Direktorin des Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute und Vizepräsidentin für Forschung bei Sinai Health. „Diese Studie ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie wir von einfachen Tieren lernen und dieses Wissen für den Fortschritt in Medizin und Technologie nutzen können.“