線虫の動きを制御するマスターニューロンが発見され、人間の治療に重要

シナイ・ヘルスとトロント大学の研究者らは、小型線虫 C. Elegans の神経系に、人間の病気の治療やロボットの開発に重要な影響を与える可能性のあるメカニズムを発見した。

この研究は、ルーネンフェルト・タネンバウム研究所のメイ・ジェン氏とその同僚が主導し、Science Advances に掲載され、線虫の前進と後退を切り替える能力を制御する上で AVA と呼ばれる特定のニューロンが重要な役割を果たしていることを明らかにした。

線虫にとって、餌場に向かって這い進み、危険から素早く逃げることは極めて重要です。この 2 つの行動が相互に排他的である行動は、座ったり走ったりを同時に行うことができない人間を含む多くの動物に典型的に見られます。

科学者は長い間、線虫の運動制御は、AVA と AVB という 2 つのニューロンの単純な相互作用によって達成されると信じてきました。前者は後進を促進し、後者は前進を促進し、それぞれが他方を抑制して運動の方向を制御すると考えられていました。

しかし、Zhen のチームの新しいデータはこの考えに異議を唱え、AVA ニューロンが 2 つの役割を果たすより複雑な相互作用を明らかにしています。 AVB を抑制することで前進運動を即座に停止するだけでなく、長期にわたる AVB 刺激を維持して、前進運動へのスムーズな移行を確実にします。

この発見は、さまざまな信号とさまざまな時間スケールに応じてさまざまなメカニズムを通じて動きを細かく制御する AVA ニューロンの能力を強調しています。

「エンジニアリングの観点から見ると、これは非常にコスト効率の高い設計です」と、トロント大学テメルティ医学部の分子遺伝学教授である Zhen 氏は言います。 「フィードバック回路を強力かつ持続的に抑制することで、動物は不利な状況に反応して逃げることができます。同時に、制御ニューロンは安全な場所に移動するために前方回路に一定のガスを供給し続けます。」

この研究を率いた、Zhen 研究室の元博士課程学生 Jun Meng 氏は、動物がこのような相反する運動状態間をどのように移行するかを理解することは、動物の動きを理解するだけでなく、神経疾患の研究にも重要であると述べました。 p>

AVA ニューロンの優位な役割の発見は、半世紀以上前に現代遺伝学が出現して以来、科学者が研究してきた神経回路に対する新たな洞察をもたらします。Zhen 研究室は、高度な技術を使用して個々のニューロンの活動を正確に調整し、動いている生きた線虫からデータを記録することに成功しました。

トロント大学文学部の細胞およびシステム生物学の教授でもある Zhen 氏は、この研究における学際的なコラボレーションの重要性を強調しています。主要な実験は Meng 氏が実施し、ニューロンの電気的記録は、中国の華中科技大学の Shanban Gao 研究室の学生である Bing Yu 博士が行いました。

Zhen 研究室の元ポスドク研究員で、現在は米国の HHMI Janelia Research Campus の理論研究員である Tosif Ahmed 氏が、仮説を検証し、新しい知識を生み出すために重要な数学的モデリングを主導しました。

AVA と AVB は膜電位の範囲とダイナミクスが異なります。出典: Science Advances (2024)。 DOI: 10.1126/sciadv.adk0002

この研究結果は、ニューロンが運動制御において複数の役割をどう調整できるかを研究するための簡略化されたモデルを提供し、この概念は人間の神経学的状態にも適用できます。

たとえば、AVA の二重の役割は、その表面にあるイオンチャネルによって制御される電位に依存します。Zhen はすでに、同様のイオンチャネルの変異によって引き起こされる CLIFAHDD 症候群と呼ばれるまれな状態に、同様のメカニズムがどのように関与しているかを調査しています。この新しい発見は、複雑な動作を実行できる、より適応性が高く効率的なロボット システムの開発にも役立つ可能性があります。

「現代科学の起源から今日の最先端の研究まで、C. Elegans などのモデル生物は、私たちの生物学的システムの複雑さを解き明かす上で重要な役割を果たしています」と、シナイ ヘルスの Lunenfeld-Tanenbaum 研究所所長兼研究担当副社長の Anne-Claude Gingras 氏は述べています。 「この研究は、単純な動物から学び、その知識を医学と技術の進歩に応用する方法の素晴らしい例です。」