Аскариди змінюють потік матеріалу в роті та з рота у відповідь на яскраве світло, відкриваючи новий спосіб для нейронів контролювати м’язові клітини.
Аскарида C. elegans не має очей і світлопоглинаючих молекул, необхідних для бачення. Проте він відчуває неприємні на смак хімічні речовини, які виробляє світло, і припиняє їсти. Вчені Массачусетського технологічного інституту досліджували C. elegans, щоб точно визначити нейронні схеми та рухи м’язів, необхідні для плювання. Авторство зображення: Ралі МакЕлвері
Більше десяти років дослідники знали, що аскариди Caenorhabditis Елеганс може виявляти та уникати короткохвильового світла, незважаючи на відсутність очей і світлопоглинальних молекул, необхідних для зору. Будучи аспірантом лабораторії Хорвіца, Нікіл Бхатла запропонував пояснення цієї здатності. Він зауважив, що вплив світла не тільки змусив хробаків звиватися, але й спонукав їх припинити їсти. Ця підказка привела його до серії досліджень, які показали, що його піддослідні взагалі не бачили світла — вони виявляли шкідливі хімічні речовини, які воно виробляло, наприклад перекис водню. Невдовзі лабораторія Horvitz зрозуміла, що хробаки не тільки пробують неприємні хімічні речовини, які створює світло, але й випльовують їх.
Тепер у дослідженні, опублікованому в eLife, команда під керівництвом недавнього аспіранта Стіва Сандо, доктора філософії '20, повідомляє про механізм, який лежить в основі плювок у C. elegans. Окремі м’язові клітини, як правило, вважаються найменшими одиницями, якими нейрони можуть незалежно керувати, але результати дослідників ставлять під сумнів це припущення. У випадку з плюванням вони визначили, що нейрони можуть направляти спеціалізовані підобласті однієї м’язової клітини для створення кількох рухів, розширюючи наше розуміння того, як нейрони контролюють м’язові клітини для формування поведінки.
Аскарида плюється після того, як на неї потрапить неприємний на смак перекис водню, що виділяється яскравим світлом. Авторство: Стів Сандо
«Стів зробив дивовижне відкриття, що скорочення невеликої ділянки певної м’язової клітини може бути відокремлено від скорочення решти тієї самої клітини», — каже Х. Роберт Горвіц, професор біології Девіда Х. Коха в [Вбудоване вміст]
Після того як він приєднався до проекту, Сандо виявив, що черв’яки не відригують і не продовжують жувати. Натомість «вибухові насоси» рухали матеріал у протилежному напрямку, з ротової порожнини в місцеве середовище, а не далі назад у глотку та кишечник. Іншими словами, неприємне світло викликало плювки хробаків. Потім Сандо роками переслідував своїх суб’єктів навколо мікроскопа з яскравим світлом і записував їхні дії в уповільненій зйомці, щоб точно визначити нейронні схеми та рухи м’язів, необхідні для такої поведінки.
«Відкриття того, що хробаки плювалися, було для нас досить несподіваним, тому що рот, здавалося, рухався так само, як під час жування», — каже Сандо. «Виявилося, що вам дійсно потрібно було збільшити масштаб і сповільнити рух, щоб побачити, що відбувається, тому що тварини такі маленькі, а поведінка відбувається дуже швидко».
Щоб проаналізувати, що відбувається в глотці, щоб створити цей рух плювки, дослідники використовували крихітний лазерний промінь, щоб хірургічним шляхом видалити окремі нервові та м’язові клітини з ротової порожнини та визначити, як це вплинуло на поведінку хробака. Вони також спостерігали за активністю клітин у роті, позначаючи їх спеціально сконструйованими флуоресцентними білками-репортерами.
Вони побачили, що поки черв’як їсть, три м’язові клітини в передній частині глотки, звані pm3s, скорочуються і розслабляються разом у синхронних імпульсах. Але як тільки хробак відчуває легкий смак, підобласті цих окремих клітин, найближчі до передньої частини рота, стають заблокованими в стані скорочення, відкриваючи передню частину рота і дозволяючи матеріалу виходити назовні. Це змінює напрямок потоку проковтнутого матеріалу і перетворює годування на спльовування.
Команда визначила, що це явище «роз’єднання» контролюється єдиним нейроном у задній частині рота хробака. Ця нервова клітина під назвою M1 стимулює локалізований приплив кальцію в передній частині м’яза pm3, який, ймовірно, відповідає за ініціювання субклітинних скорочень.
M1 передає важливу інформацію, як комутатор. Він отримує вхідні сигнали від багатьох різних нейронів і передає цю інформацію до м’язів, які беруть участь у плюванні. Сандо та його команда підозрюють, що сила вхідного сигналу може налаштувати поведінку хробака у відповідь на смакове світло. Наприклад, їхні висновки свідчать про те, що огидний смак викликає сильне полоскання рота, тоді як м’яке неприємне відчуття змушує хробака виплюнути більш м’яко, достатньо, щоб викинути вміст.
Сандо вважає, що в майбутньому хробака можна буде використати як модель для вивчення того, як нейрони запускають субрегіони м’язових клітин для звуження та формування поведінки — явище, яке, як вони підозрюють, спостерігається в інших тварин, можливо, включаючи людей.
«Ми, по суті, знайшли новий спосіб для нейрона рухати м’яз», — каже Сандо. «Нейрони оркеструють рухи м’язів, і це може бути новим інструментом, який дозволяє їм здійснювати складний вид контролю. Це дуже захоплююче».
Довідка: «Мотив пісочного годинника трансформує рухову програму за допомогою субклітинної локалізованої передачі кальцієвих сигналів м’язів і скорочення» Стівена Р. Сандо, Нікіла Бхатли, Юджина Л. К. Лі та Х. Роберта Хорвіца, 2 липня 2021 р., eLife.
DOI: 10.7554/eLife.59341
Стаття спочатку опублікована ТУТ
