เซลล์ประสาทหลักที่ควบคุมการเคลื่อนไหวของหนอนที่ค้นพบ ซึ่งมีความสำคัญต่อการรักษามนุษย์

นักวิจัยจาก Sinai Health และมหาวิทยาลัยโตรอนโตได้ค้นพบกลไกในระบบประสาทของพยาธิตัวกลมขนาดเล็ก C. Elegans ที่อาจมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการรักษาโรคของมนุษย์และการพัฒนาหุ่นยนต์

การศึกษานี้นำโดย Mei Zhen และเพื่อนร่วมงานของเธอที่ Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute ได้รับการตีพิมพ์ใน Science Advances และเผยให้เห็นถึงบทบาทสำคัญของเซลล์ประสาทเฉพาะที่เรียกว่า AVA ในการควบคุมความสามารถของหนอนในการสลับระหว่างการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าและข้างหลัง

เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับหนอนที่จะคลานไปยังแหล่งอาหารและรีบหนีจากอันตราย พฤติกรรมนี้เมื่อการกระทำสองอย่างแยกจากกัน เป็นเรื่องปกติของสัตว์หลายชนิด รวมถึงมนุษย์ที่ไม่สามารถนั่งและวิ่งในเวลาเดียวกันได้

นักวิทยาศาสตร์เชื่อมานานแล้วว่าการควบคุมการเคลื่อนไหวของเวิร์มทำได้สำเร็จโดยการกระทำร่วมกันง่ายๆ ของเซลล์ประสาทสองชนิด: AVA และ AVB ความคิดแบบแรกส่งเสริมการเคลื่อนไหวแบบถอยหลัง และแบบหลังเพื่อการเคลื่อนไหวไปข้างหน้า โดยแต่ละแบบจะปราบปรามอีกแบบหนึ่งเพื่อควบคุมทิศทางของการเคลื่อนไหว

อย่างไรก็ตาม ข้อมูลใหม่จากทีมงานของ Zhen ท้าทายแนวคิดนี้ โดยเผยให้เห็นปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนมากขึ้น โดยที่เซลล์ประสาท AVA มีบทบาทสองอย่าง ไม่เพียงแต่หยุดการเคลื่อนไหวไปข้างหน้าทันทีโดยการระงับ AVB แต่ยังรักษาการกระตุ้น AVB ในระยะยาวเพื่อให้แน่ใจว่าการเปลี่ยนกลับไปเป็นการเคลื่อนไหวไปข้างหน้าเป็นไปอย่างราบรื่น

การค้นพบนี้เน้นย้ำถึงความสามารถของเซลล์ประสาท AVA ในการควบคุมการเคลื่อนไหวอย่างละเอียดผ่านกลไกต่างๆ โดยขึ้นอยู่กับสัญญาณที่ต่างกันและในช่วงเวลาที่ต่างกัน

"จากมุมมองทางวิศวกรรม นี่เป็นการออกแบบที่คุ้มค่ามาก" Zhen ศาสตราจารย์ด้านอณูพันธุศาสตร์ในคณะแพทยศาสตร์ Temerty แห่งมหาวิทยาลัยโตรอนโตกล่าว "การปราบปรามวงจรป้อนกลับที่แข็งแกร่งและยั่งยืนช่วยให้สัตว์ตอบสนองต่อสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยและหลบหนีได้ ในเวลาเดียวกัน เซลล์ประสาทควบคุมยังคงส่งก๊าซคงที่ไปยังวงจรไปข้างหน้าเพื่อย้ายไปยังสถานที่ที่ปลอดภัย"

จุน เมิ่ง อดีตนักศึกษาปริญญาเอกในห้องทดลองของ Zhen ซึ่งเป็นผู้นำการศึกษานี้ กล่าวว่า การทำความเข้าใจว่าสัตว์ต่างๆ มีการเปลี่ยนแปลงระหว่างสภาวะการเคลื่อนไหวที่ตรงกันข้ามกันอย่างไร ถือเป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจว่าสัตว์เคลื่อนไหวอย่างไร ตลอดจนการวิจัยเกี่ยวกับความผิดปกติทางระบบประสาท p>

การค้นพบบทบาทที่โดดเด่นของเซลล์ประสาท AVA นำเสนอข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับวงจรประสาทที่นักวิทยาศาสตร์ศึกษามาตั้งแต่การกำเนิดของพันธุกรรมสมัยใหม่เมื่อกว่าครึ่งศตวรรษที่ผ่านมา ห้องทดลองของ Zhen ประสบความสำเร็จในการใช้เทคโนโลยีขั้นสูงเพื่อปรับกิจกรรมของเซลล์ประสาทแต่ละตัวอย่างแม่นยำ และบันทึกข้อมูลจากเวิร์มที่มีชีวิตที่กำลังเคลื่อนไหว

Zhen ยังเป็นศาสตราจารย์ด้านชีววิทยาเซลล์และระบบในคณะอักษรศาสตร์และวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยโตรอนโต เน้นย้ำถึงความสำคัญของการทำงานร่วมกันแบบสหวิทยาการในการวิจัยนี้ Meng ดำเนินการทดลองที่สำคัญ และการบันทึกทางไฟฟ้าของเซลล์ประสาทดำเนินการโดย Bing Yu, Ph.D. นักศึกษาในห้องทดลองของ Shanban Gao ที่มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี Huazhong ในประเทศจีน

Tosif Ahmed อดีตนักวิจัยหลังปริญญาเอกในห้องทดลองของ Zhen และปัจจุบันเป็นนักวิจัยด้านทฤษฎีที่ HHMI Janelia Research Campus ในสหรัฐอเมริกา เป็นผู้นำการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่มีความสำคัญต่อการทดสอบสมมติฐานและสร้างความรู้ใหม่

AVA และ AVB มีช่วงและไดนามิกของศักยภาพเมมเบรนที่แตกต่างกัน ที่มา: Science Advances (2024) ดอย: 10.1126/sciadv.adk0002

ผลการศึกษาเป็นแบบจำลองที่เรียบง่ายสำหรับการศึกษาว่าเซลล์ประสาทสามารถควบคุมบทบาทต่างๆ ในการควบคุมการเคลื่อนไหวได้อย่างไร ซึ่งเป็นแนวคิดที่สามารถนำไปใช้กับสภาวะทางระบบประสาทของมนุษย์ได้

ตัวอย่างเช่น บทบาทคู่ของ AVA ขึ้นอยู่กับศักย์ไฟฟ้า ซึ่งควบคุมโดยช่องไอออนบนพื้นผิว Zhen กำลังตรวจสอบว่ากลไกที่คล้ายกันอาจเกี่ยวข้องกับสภาวะที่หายากซึ่งเรียกว่ากลุ่มอาการ CLIFAHDD ได้อย่างไร ซึ่งเกิดจากการกลายพันธุ์ในช่องไอออนที่คล้ายกัน การค้นพบครั้งใหม่นี้ยังสามารถแจ้งถึงการพัฒนาระบบหุ่นยนต์ที่ปรับเปลี่ยนได้และมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งสามารถดำเนินการเคลื่อนไหวที่ซับซ้อนได้

"จากต้นกำเนิดของวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ไปจนถึงการวิจัยที่ล้ำหน้าในปัจจุบัน สิ่งมีชีวิตจำลอง เช่น C. Elegans มีบทบาทสำคัญในการปลดล็อกความซับซ้อนของระบบชีววิทยาของเรา" Anne-Claude Gingras ผู้อำนวยการสถาบันวิจัย Lunenfeld-Tanenbaum กล่าว และรองประธานฝ่ายวิจัยที่ Sinai Health "งานวิจัยนี้เป็นตัวอย่างที่ดีของวิธีที่เราสามารถเรียนรู้จากสัตว์ธรรมดาๆ และนำความรู้นั้นไปประยุกต์ใช้กับการแพทย์และเทคโนโลยีขั้นสูง"