ค้นพบเซลล์ประสาทหลักที่ควบคุมการเคลื่อนไหวของหนอนซึ่งมีความสำคัญต่อการรักษาของมนุษย์

นักวิจัยจาก Sinai Health และมหาวิทยาลัยโตรอนโตได้ค้นพบกลไกในระบบประสาทของพยาธิตัวกลมขนาดเล็ก C. elegans ซึ่งอาจมีความสำคัญอย่างมากต่อการรักษาโรคในมนุษย์และการพัฒนาหุ่นยนต์

การศึกษาที่นำโดย Mei Zhen และเพื่อนร่วมงานที่สถาบันวิจัย Lunenfeld-Tanenbaum ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Science Advancesและเปิดเผยบทบาทสำคัญของเซลล์ประสาทเฉพาะที่เรียกว่า AVA ในการควบคุมความสามารถของหนอนในการสลับระหว่างการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าและข้างหลัง

พยาธิจำเป็นต้องคลานไปหาแหล่งอาหารและหนีจากอันตรายอย่างรวดเร็ว พฤติกรรมนี้ซึ่งทั้งสองอย่างแยกจากกันไม่ได้ เป็นเรื่องปกติสำหรับสัตว์หลายชนิด รวมถึงมนุษย์ ที่ไม่สามารถนั่งและวิ่งไปพร้อมกันได้

นักวิทยาศาสตร์เชื่อกันมานานแล้วว่าการควบคุมการเคลื่อนไหวของหนอนทำได้โดยปฏิสัมพันธ์ง่ายๆ ระหว่างเซลล์ประสาท 2 ชนิด ได้แก่ AVA และ AVB โดยเซลล์ประสาท AVA เชื่อว่าจะกระตุ้นให้เซลล์ประสาทเคลื่อนที่ไปข้างหลัง ส่วนเซลล์ประสาท AVB จะเคลื่อนที่ไปข้างหน้า โดยเซลล์ประสาทแต่ละชนิดจะยับยั้งเซลล์อีกชนิดหนึ่งเพื่อควบคุมทิศทางการเคลื่อนไหว

อย่างไรก็ตาม ข้อมูลใหม่จากทีมของ Zhen ท้าทายมุมมองนี้ โดยเปิดเผยปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นซึ่งเซลล์ประสาท AVA มีบทบาทสองประการ ไม่เพียงแต่จะหยุดการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าทันทีโดยยับยั้ง AVB เท่านั้น แต่ยังรักษาการกระตุ้น AVB ในระยะยาวเพื่อให้แน่ใจว่าการเปลี่ยนผ่านกลับสู่การเคลื่อนที่ไปข้างหน้าจะราบรื่นอีกด้วย

การค้นพบนี้เน้นย้ำถึงความสามารถของเซลล์ประสาท AVA ในการควบคุมการเคลื่อนไหวอย่างละเอียดผ่านกลไกต่างๆ ขึ้นอยู่กับสัญญาณที่แตกต่างกันและในช่วงเวลาที่แตกต่างกัน

“จากมุมมองทางวิศวกรรม การออกแบบนี้ถือว่าประหยัดมาก” เจิ้ง ศาสตราจารย์ด้านพันธุศาสตร์ระดับโมเลกุลจากคณะแพทยศาสตร์เทเมอร์ตี้ มหาวิทยาลัยโตรอนโต กล่าว “การยับยั้งวงจรป้อนกลับที่เข้มงวดและต่อเนื่องทำให้สัตว์สามารถตอบสนองต่อสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยและหลบหนีได้ ในขณะเดียวกัน เซลล์ประสาทควบคุมจะยังคงสูบก๊าซอย่างต่อเนื่องเข้าไปในวงจรไปข้างหน้าเพื่อเคลื่อนตัวไปยังสถานที่ปลอดภัย”

จุน เหมิง อดีตนักศึกษาปริญญาเอกในห้องทดลองของเจิ้ง ซึ่งเป็นผู้นำการศึกษาครั้งนี้ กล่าวว่า การทำความเข้าใจว่าสัตว์เปลี่ยนผ่านระหว่างสภาวะการเคลื่อนไหวที่ตรงกันข้ามกันได้อย่างไรนั้นเป็นสิ่งสำคัญในการทำความเข้าใจว่าสัตว์เคลื่อนไหวอย่างไร รวมไปถึงการวิจัยเกี่ยวกับความผิดปกติทางระบบประสาทด้วย

การค้นพบบทบาทเด่นของเซลล์ประสาท AVA นำเสนอข้อมูลเชิงลึกใหม่ๆ เกี่ยวกับวงจรประสาทที่นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษามาตั้งแต่การถือกำเนิดของพันธุศาสตร์สมัยใหม่เมื่อกว่าครึ่งศตวรรษที่ผ่านมา ห้องปฏิบัติการของเจิ้งประสบความสำเร็จในการใช้เทคโนโลยีล้ำสมัยเพื่อควบคุมกิจกรรมของเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์ได้อย่างแม่นยำและบันทึกข้อมูลจากหนอนมีชีวิตที่กำลังเคลื่อนไหว

เจิ้น ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ด้านชีววิทยาเซลล์และระบบในคณะศิลปศาสตร์และวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยโตรอนโต เน้นย้ำถึงความสำคัญของความร่วมมือแบบสหวิทยาการในการศึกษานี้ เหมิงดำเนินการทดลองที่สำคัญ และปิน ยู นักศึกษาปริญญาเอกในห้องทดลองของซางบัง เกา ที่มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีหัวจง ประเทศจีน ได้ทำการบันทึกไฟฟ้าจากเซลล์ประสาท

Tosif Ahmed อดีตนักวิจัยหลังปริญญาเอกในห้องทดลองของ Zheng และปัจจุบันเป็นนักวิจัยด้านทฤษฎีที่ Janelia Research Campus ของ HHMI ในสหรัฐอเมริกา เป็นผู้นำการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ซึ่งมีความสำคัญในการทดสอบสมมติฐานและการได้รับข้อมูลเชิงลึกใหม่ๆ

AVA และ AVB มีช่วงศักย์และพลวัตของเยื่อหุ้มเซลล์ต่างกัน แหล่งที่มา: Science Advances (2024) DOI: 10.1126/sciadv.adk0002

ผลการศึกษานี้ให้แบบจำลองที่เรียบง่ายสำหรับการศึกษาว่าเซลล์ประสาทสามารถจัดการบทบาทต่างๆ ในการควบคุมการเคลื่อนไหวได้อย่างไร ซึ่งเป็นแนวคิดที่สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับสภาวะทางระบบประสาทของมนุษย์ได้ด้วย

ตัวอย่างเช่น บทบาทคู่ของ AVA ขึ้นอยู่กับศักยภาพไฟฟ้าซึ่งควบคุมโดยช่องไอออนบนพื้นผิวของมัน เจิ้งกำลังศึกษาว่ากลไกที่คล้ายคลึงกันอาจเกี่ยวข้องกับภาวะที่หายากที่เรียกว่ากลุ่มอาการ CLIFAHDD ได้อย่างไร ซึ่งเกิดจากการกลายพันธุ์ในช่องไอออนที่คล้ายกัน ผลการค้นพบใหม่นี้อาจนำไปใช้ในการออกแบบระบบหุ่นยนต์ที่ปรับตัวได้และมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งสามารถเคลื่อนไหวอย่างซับซ้อนได้

Anne-Claude Gingras ผู้อำนวยการสถาบันวิจัย Lunenfeld-Tanenbaum และรองประธานฝ่ายวิจัยของ Sinai Health กล่าวว่า “ตั้งแต่จุดเริ่มต้นของวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ไปจนถึงการวิจัยที่ล้ำสมัยในปัจจุบัน สิ่งมีชีวิตจำลองอย่าง C. elegans มีบทบาทสำคัญในการเปิดเผยความซับซ้อนของระบบชีวภาพของเรา การศึกษาครั้งนี้ถือเป็นตัวอย่างที่ดีว่าเราสามารถเรียนรู้จากสัตว์ธรรมดาๆ ได้อย่างไร และนำความรู้ดังกล่าวไปประยุกต์ใช้ในการพัฒนายาและเทคโนโลยีได้อย่างไร”