Neuron utama yang mengontrol pergerakan cacing ditemukan, penting untuk mengobati 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 terhadap pengobatan penyakit manusia dan pengembangan robotika.

Penelitian yang dipimpin oleh Mei Zhen dan rekan-rekannya di Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute, dipublikasikan di Science Advances dan mengungkap peran kunci dari neuron spesifik yang disebut AVA dalam mengendalikan kemampuan worm untuk beralih antara bergerak maju dan mundur.

Sangat penting bagi cacing untuk merangkak menuju sumber makanan dan segera mundur dari bahaya. Perilaku ini, ketika dua tindakan saling lepas, merupakan ciri khas banyak hewan, termasuk manusia, yang tidak dapat duduk dan berlari pada saat bersamaan.

Para ilmuwan telah lama percaya bahwa kontrol gerakan pada cacing dicapai melalui tindakan timbal balik sederhana dari dua neuron: AVA dan AVB. Yang pertama dianggap mendorong gerakan mundur dan yang terakhir dianggap mendorong gerakan maju, masing-masing menekan yang lain untuk mengontrol arah gerakan.

Namun, data baru dari tim Zhen menantang gagasan ini, mengungkapkan interaksi yang lebih kompleks di mana neuron AVA memainkan peran ganda. Tidak hanya segera menghentikan gerakan maju dengan menekan AVB, tetapi juga mempertahankan stimulasi AVB jangka panjang untuk memastikan transisi gerakan kembali ke maju yang mulus.

Temuan ini menyoroti kemampuan neuron AVA untuk mengontrol pergerakan secara halus melalui mekanisme berbeda bergantung pada sinyal berbeda dan skala waktu berbeda.

"Dari sudut pandang teknik, ini adalah desain yang sangat hemat biaya," kata Zhen, seorang profesor genetika molekuler di Fakultas Kedokteran Temerty di Universitas Toronto. "Penindasan sirkuit umpan balik yang kuat dan berkelanjutan memungkinkan hewan merespons kondisi yang tidak menguntungkan dan melarikan diri. Pada saat yang sama, neuron kontrol terus memasok gas secara konstan ke sirkuit depan untuk berpindah ke tempat yang aman."

Jun Meng, mantan mahasiswa doktoral di laboratorium Zhen yang memimpin penelitian ini, mengatakan bahwa memahami bagaimana hewan bertransisi antara keadaan motorik yang berlawanan adalah kunci untuk memahami cara hewan bergerak, serta untuk meneliti gangguan neurologis. p>

Penemuan peran dominan neuron AVA menawarkan wawasan baru mengenai sirkuit saraf yang telah dipelajari para ilmuwan sejak munculnya genetika modern lebih dari setengah abad yang lalu. Laboratorium Zhen telah berhasil menggunakan teknologi canggih untuk secara tepat memodulasi aktivitas neuron individu 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 neuron dilakukan oleh Bing Yu, Ph.D., seorang mahasiswa di laboratorium Shanban Gao di Universitas Sains dan Teknologi Huazhong di Tiongkok.

Tosif Ahmed, mantan rekan pascadoktoral di lab Zhen dan sekarang menjadi rekan teoretis di HHMI Janelia Research Campus di Amerika Serikat, memimpin pemodelan matematika yang penting untuk menguji hipotesis dan menghasilkan pengetahuan baru.

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

Hasil studi ini memberikan model yang disederhanakan untuk mempelajari bagaimana neuron dapat mengatur berbagai peran dalam pengendalian gerakan, sebuah konsep yang dapat diterapkan pada kondisi neurologis manusia.

Sebagai contoh, peran ganda AVA bergantung pada potensi listriknya, yang diatur oleh saluran ion pada permukaannya. Zhen sudah 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 menjadi masukan bagi pengembangan sistem robotik yang lebih adaptif dan efisien yang mampu melakukan gerakan kompleks.

"Dari asal usul ilmu pengetahuan modern hingga penelitian mutakhir saat ini, organisme model seperti C. Elegans memainkan peran penting dalam mengungkap kompleksitas sistem biologis kita," kata Anne-Claude Gingras, direktur Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute dan wakil presiden berdasarkan penelitian di Sinai Health. "Penelitian ini adalah contoh bagus tentang bagaimana kita dapat belajar dari hewan sederhana dan menerapkan pengetahuan tersebut untuk memajukan kedokteran dan teknologi."