Ditemukannya neuron utama yang mengendalikan gerakan pada cacing, penting untuk pengobatan manusia

Para peneliti dari Sinai Health dan Universitas Toronto telah menemukan mekanisme dalam sistem saraf cacing gelang kecil C. elegans yang dapat memiliki implikasi signifikan bagi pengobatan penyakit manusia dan pengembangan robotika.

Penelitian ini, yang dipimpin oleh Mei Zhen dan rekan-rekannya di Institut Penelitian Lunenfeld-Tanenbaum, diterbitkan dalam jurnal Science Advances dan mengungkap peran kunci neuron spesifik yang disebut AVA dalam mengendalikan kemampuan cacing untuk beralih antara gerakan maju dan mundur.

Cacing harus merangkak menuju sumber makanan dan segera menjauh dari bahaya. Perilaku ini, yang mana kedua tindakan tersebut saling eksklusif, merupakan perilaku yang umum bagi banyak hewan, termasuk manusia, yang tidak dapat duduk dan berlari pada saat yang bersamaan.

Para ilmuwan telah lama meyakini bahwa pengendalian gerakan pada cacing dilakukan melalui interaksi sederhana antara dua neuron: AVA dan AVB. AVA dianggap mendorong gerakan mundur, sedangkan AVB mendorong gerakan maju, dengan masing-masing menghambat yang lain untuk mengendalikan arah gerakan.

Namun, data baru dari tim Zhen menantang pandangan ini, dengan mengungkap interaksi yang lebih kompleks di mana neuron AVA memainkan peran ganda. Neuron ini tidak hanya menghentikan gerakan maju dengan menekan AVB, tetapi juga mempertahankan stimulasi jangka panjang AVB untuk memastikan transisi yang lancar kembali ke gerakan maju.

Penemuan ini menyoroti kemampuan neuron AVA untuk mengendalikan pergerakan secara tepat melalui mekanisme yang berbeda-beda tergantung pada sinyal yang berbeda dan pada skala waktu yang berbeda.

"Dari sudut pandang teknik, ini adalah desain yang sangat ekonomis," kata Zheng, seorang profesor genetika molekuler di Fakultas Kedokteran Temerty, Universitas Toronto. "Penghambatan yang kuat dan berkelanjutan pada loop umpan balik memungkinkan hewan untuk merespons kondisi yang merugikan dan melarikan diri. Pada saat yang sama, neuron kontrol terus memompa gas konstan ke dalam loop maju untuk bergerak ke lokasi yang aman."

Jun Meng, mantan mahasiswa doktoral di laboratorium Zheng yang memimpin penelitian tersebut, mengatakan bahwa memahami bagaimana hewan bertransisi di antara kondisi motorik yang berlawanan tersebut adalah kunci untuk memahami bagaimana hewan bergerak, serta untuk penelitian tentang gangguan neurologis.

Penemuan peran dominan neuron AVA menawarkan wawasan baru ke dalam sirkuit saraf yang telah dipelajari para ilmuwan sejak munculnya genetika modern lebih dari setengah abad yang lalu. Laboratorium Zheng berhasil menggunakan teknologi canggih untuk memodulasi aktivitas neuron individual secara tepat dan merekam data dari cacing hidup yang sedang bergerak.

Zhen, yang juga seorang profesor biologi sel dan sistem di Fakultas Seni dan Sains Universitas Toronto, menekankan pentingnya kolaborasi interdisipliner dalam penelitian ini. Meng melakukan eksperimen utama, dan rekaman listrik dari neuron dilakukan oleh Bin Yu, seorang mahasiswa PhD di laboratorium Shangbang Gao di Universitas Sains dan Teknologi Huazhong di Tiongkok.

Tosif Ahmed, mantan peneliti pascadoktoral di laboratorium Zheng dan sekarang menjadi Peneliti Teori di Kampus Penelitian Janelia HHMI di AS, memimpin pemodelan matematika yang penting untuk menguji hipotesis dan memperoleh wawasan baru.

AVA dan AVB memiliki rentang potensial membran dan dinamika yang berbeda. Sumber: Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk0002

Temuan penelitian ini memberikan model yang disederhanakan untuk mempelajari bagaimana neuron dapat mengelola banyak peran dalam kontrol gerakan - sebuah konsep yang juga dapat diterapkan pada kondisi neurologis manusia.

Misalnya, peran ganda AVA bergantung pada potensi listriknya, yang diatur oleh saluran ion pada permukaannya. Zheng kini tengah menyelidiki bagaimana mekanisme serupa mungkin terlibat dalam kondisi langka yang dikenal sebagai sindrom CLIFAHDD, yang disebabkan oleh mutasi pada saluran ion serupa. Temuan baru ini juga dapat menginformasikan desain sistem robotik yang lebih adaptif dan efisien yang mampu melakukan gerakan kompleks.

“Dari asal mula sains modern hingga penelitian mutakhir saat ini, organisme model seperti C. elegans telah memainkan peran penting dalam mengungkap kompleksitas sistem biologis kita,” kata Anne-Claude Gingras, direktur Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute dan wakil presiden penelitian di Sinai Health. “Studi ini merupakan contoh hebat tentang bagaimana kita dapat belajar dari hewan sederhana dan menerapkan pengetahuan itu untuk memajukan pengobatan dan teknologi.”