I nematodi modificano il flusso di materiale dentro e fuori la loro bocca in risposta alla luce intensa, rivelando un nuovo modo per i neuroni di controllare le cellule muscolari.
Il nematode C. elegans è privo di occhi e delle molecole che assorbono la luce necessarie per vedere. Tuttavia, può percepire le sostanze chimiche dal sapore sgradevole prodotte dalla luce e smette di mangiare. Gli scienziati del MIT hanno studiato C. elegans per individuare i circuiti neurali e i movimenti muscolari necessari per sputare. Credito: Raleigh McElvery
Da oltre un decennio, i ricercatori sanno che il nematode Caenorhabditis elegans può rilevare ed evitare la luce a onde corte, nonostante la mancanza di occhi e le molecole che assorbono la luce necessarie per la vista. Come studente laureato nel laboratorio Horvitz, Nikhil Bhatla ha proposto una spiegazione per questa capacità. Osservò che l'esposizione alla luce non solo faceva allontanare i vermi, ma li spingeva anche a smettere di mangiare. Questo indizio lo ha portato a una serie di studi che hanno suggerito che i suoi soggetti contorcendosi non vedevano affatto la luce: stavano rilevando le sostanze chimiche nocive che produceva, come il perossido di idrogeno. Subito dopo, il laboratorio Horvitz si è reso conto che i vermi non solo assaggiano le sostanze chimiche nocive generate dalla luce, ma le sputano anche fuori.
Ora, in uno studio pubblicato su eLife, un team guidato dal neolaureato Steve Sando PhD '20 riporta il meccanismo alla base degli sputi C. elegans. Le singole cellule muscolari sono generalmente considerate le unità più piccole che i neuroni possono controllare in modo indipendente, ma i risultati dei ricercatori mettono in dubbio questa ipotesi. Nel caso dello sputo, hanno determinato che i neuroni possono dirigere sottoregioni specializzate di una singola cellula muscolare per generare più movimenti, ampliando la nostra comprensione di come i neuroni controllano le cellule muscolari per modellare il comportamento.
Un nematode sputa dopo essere stato esposto al perossido di idrogeno dal sapore sgradevole prodotto dalla luce intensa. Credito: Steve Sando
"Steve ha fatto la straordinaria scoperta che la contrazione di una piccola regione di una particolare cellula muscolare può essere disaccoppiata dalla contrazione del resto della stessa cellula", afferma H. Robert Horvitz, David H. Koch Professor of Biology presso [Contenuto incorporato]
Dopo essersi unito al progetto, Sando ha scoperto che i vermi non ruttavano né continuavano a sgranocchiare. Invece, le "pompe a scoppio" guidavano il materiale nella direzione opposta, fuori dalla bocca nell'ambiente locale, piuttosto che più indietro nella faringe e nell'intestino. In altre parole, la luce dal sapore sgradevole faceva sputare i vermi. Sando ha quindi trascorso anni a inseguire i suoi soggetti attorno al microscopio con una luce intensa ea registrare le loro azioni al rallentatore, al fine di individuare i circuiti neurali e i movimenti muscolari richiesti per questo comportamento.
"La scoperta che i vermi stavano sputando è stata piuttosto sorprendente per noi, perché la bocca sembrava muoversi proprio come fa quando mastica", dice Sando. "Si scopre che avevi davvero bisogno di ingrandire e rallentare le cose per vedere cosa sta succedendo, perché gli animali sono così piccoli e il comportamento sta accadendo così rapidamente".
Per analizzare ciò che sta accadendo nella faringe per produrre questo movimento di sputo, i ricercatori hanno utilizzato un minuscolo raggio laser per rimuovere chirurgicamente singole cellule nervose e muscolari dalla bocca e discernere in che modo ciò ha influenzato il comportamento del verme. Hanno anche monitorato l'attività delle cellule della bocca etichettandole con proteine "reporter" fluorescenti appositamente progettate.
Hanno visto che mentre il verme mangia, tre cellule muscolari verso la parte anteriore della faringe chiamate pm3 si contraggono e si rilassano insieme in impulsi sincroni. Ma non appena il verme ha un sapore leggero, le sottoregioni di queste singole cellule più vicine alla parte anteriore della bocca si bloccano in uno stato di contrazione, aprendo la parte anteriore della bocca e consentendo al materiale di essere espulso. Questo inverte la direzione del flusso del materiale ingerito e converte l'alimentazione in sputi.
Il team ha stabilito che questo fenomeno di "disaccoppiamento" è controllato da un singolo neurone nella parte posteriore della bocca del verme. Chiamata M1, questa cellula nervosa stimola un afflusso localizzato di calcio all'estremità anteriore del muscolo pm3 probabilmente responsabile dell'attivazione delle contrazioni subcellulari.
M1 trasmette informazioni importanti come un centralino. Riceve segnali in entrata da molti neuroni diversi e trasmette tali informazioni ai muscoli coinvolti nello sputo. Sando e il suo team sospettano che la potenza del segnale in ingresso possa regolare il comportamento del verme in risposta al sapore della luce. Ad esempio, le loro scoperte suggeriscono che un gusto ripugnante suscita un vigoroso risciacquo della bocca, mentre una sensazione leggermente sgradevole fa sì che il verme sputi più delicatamente, quanto basta per espellere il contenuto.
In futuro, Sando pensa che il verme potrebbe essere utilizzato come modello per studiare come i neuroni attivano le sottoregioni delle cellule muscolari per restringere e modellare il comportamento, un fenomeno che sospettano si verifichi in altri animali, forse anche nell'uomo.
"Abbiamo essenzialmente trovato un nuovo modo per un neurone di muovere un muscolo", dice Sando. “I neuroni orchestrano i movimenti dei muscoli e questo potrebbe essere un nuovo strumento che consente loro di esercitare un tipo sofisticato di controllo. È piuttosto eccitante.
Riferimento: "Un motivo a circuito a clessidra trasforma un programma motorio tramite la segnalazione e la contrazione del calcio muscolare localizzato subcellularmente" di Steven R Sando, Nikhil Bhatla, Eugene LQ Lee e H Robert Horvitz, 2 luglio 2021, eLife.
DOI: 10.7554/eLife.59341
Articolo originariamente pubblicato QUI
