Ευελιξία του νευρικού συστήματος στην αντιμετώπιση λοιμώξεων

Η δυναμική του νευρικού συστήματος

Είτε είστε ένας πολυάσχολος άνθρωπος είτε ένα σκουλήκι σε εργαστηριακό πιάτο, η ζωή μπορεί να σας επιφυλάσσει διάφορες προκλήσεις. Αυτό που χρειάζεστε είναι ένα νευρικό σύστημα αρκετά ευέλικτο για να τις αντιμετωπίσει. Σε μια νέα μελέτη, οι νευροεπιστήμονες του MIT αποκαλύπτουν πώς ακόμη και ένας απλός οργανισμός μπορεί να αναδιατάξει τα νευρωνικά του κυκλώματα και τα χημικά σήματα, ή “νευροδιαμορφωτές”, για να ανταποκριθεί προσαρμοστικά σε μια λοίμωξη. Η μελέτη αυτή μπορεί να αποτελέσει ένα μοντέλο για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα εγκεφαλικά συστήματα πιο σύνθετων οργανισμών, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων, καταφέρνουν να προσαρμόζονται σε μεταβαλλόμενες εσωτερικές καταστάσεις.

Ο ρόλος των νευροδιαμορφωτών

Οι νευροδιαμορφωτές παίζουν καθοριστικό ρόλο στη σύνδεση των αλλαγών στην εσωτερική κατάσταση των ζώων με τη συμπεριφορά τους, αναφέρουν οι επιστήμονες στο άρθρο τους που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Nature Communications. Το ερώτημα του πώς οι συνδυασμοί νευροδιαμορφωτών, που απελευθερώνονται από διαφορετικές νευρωνικές πηγές, ελέγχουν τις ποικίλες εσωτερικές καταστάσεις των ζώων παραμένει ανοιχτό.

Η συμπεριφορά των σκουληκιών C. elegans

Όταν τα σκουλήκια C. elegans τρέφονταν με λοιμογόνα βακτήρια Pseudomonas, έτρωγαν λιγότερο και γίνονταν πιο ληθαργικά. Οι ερευνητές, παρατηρώντας το νευρικό σύστημα για να κατανοήσουν αυτή τη συμπεριφορά, ανακάλυψαν ότι το σκουλήκι είχε πλήρως αναδιατάξει τους ρόλους αρκετών από τους 302 νευρώνες του και μερικών από τα πεπτίδια που εκκρίνουν στον εγκέφαλο για να ρυθμίσουν τη συμπεριφορά. Συστήματα που ανταποκρίνονταν στο στρες σε μια περίπτωση ή στον κορεσμό σε άλλη αναδιαμορφώθηκαν για να αντιμετωπίσουν τη λοίμωξη.

Προσαρμογή στο περιβάλλον

Αυτό είναι ένα ερώτημα του πώς προσαρμόζεσαι στο περιβάλλον σου με το υψηλότερο επίπεδο ευελιξίας, δεδομένου του συνόλου των νευρώνων και των νευροδιαμορφωτών που διαθέτεις, εξηγεί η μεταδιδακτορική ερευνήτρια Sreeparna Pradhan, συν-συγγραφέας της νέας μελέτης στο Nature Communications. Πώς κάνεις το μέγιστο σύνολο επιλογών διαθέσιμο σε εσένα;

Η έρευνα στο εργαστήριο του Steve Flavell

Η έρευνα πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο του καθηγητή Steve Flavell, στο Picower Institute for Learning and Memory και στο Τμήμα Επιστημών Εγκεφάλου και Γνωστικών Επιστημών, καθώς και στο Howard Hughes Medical Institute. Η Pradhan, υποστηριζόμενη από υποτροφία του K. Lisa Yang Brain-Body Center του MIT, συνεργάστηκε με την πρώην μεταπτυχιακή φοιτήτρια του Flavell Lab, Gurrein Madan, για να ηγηθούν της έρευνας.

Ανακαλύψεις και εκπλήξεις

Η Pradhan αναφέρει ότι η ομάδα ανακάλυψε αρκετές εκπλήξεις κατά τη διάρκεια της μελέτης, συμπεριλαμβανομένου ότι ένα νευροπεπτίδιο που ονομάζεται FLP-13 άλλαξε πλήρως τη λειτουργία του σε μολυσμένα ζώα σε σύγκριση με ζώα που βιώνουν άλλες μορφές στρες. Προηγούμενη έρευνα είχε δείξει ότι όταν τα σκουλήκια στρεσάρονται από τη ζέστη, ένας νευρώνας που ονομάζεται ALA απελευθερώνει FLP-13 για να προκαλέσει στα σκουλήκια να εισέλθουν σε κατάσταση ησυχίας, παρόμοια με τον ύπνο. Αλλά όταν τα σκουλήκια στη νέα μελέτη έτρωγαν βακτήρια Pseudomonas, μια ομάδα άλλων νευρώνων απελευθέρωνε FLP-13 για να καταπολεμήσει την κατάσταση ησυχίας, επιτρέποντας στα σκουλήκια να επιβιώσουν περισσότερο. Εν τω μεταξύ, ο ALA ανέλαβε έναν εντελώς διαφορετικό ρόλο κατά τη διάρκεια της ασθένειας: ηγούμενος της προσπάθειας να καταστέλλει τη σίτιση εκκρίνοντας μια διαφορετική ομάδα πεπτιδίων.

Μια ολοκληρωμένη προσέγγιση

Για να κατανοήσουν πώς τα σκουλήκια ανταποκρίθηκαν στη λοίμωξη, η ομάδα παρακολούθησε πολλά χαρακτηριστικά της συμπεριφοράς των σκουληκιών για ημέρες και έκανε γενετικές παρεμβάσεις για να διερευνήσει τους υποκείμενους μηχανισμούς που εμπλέκονται. Κατέγραψαν επίσης τη δραστηριότητα σε ολόκληρο τον εγκέφαλο των σκουληκιών. Αυτού του είδους η ολοκληρωμένη παρατήρηση και πειραματισμός είναι δύσκολο να επιτευχθεί σε πιο σύνθετα ζώα, αλλά η σχετική απλότητα του C. elegans το καθιστά ένα εύχρηστο πεδίο δοκιμών, σύμφωνα με την Pradhan. Η προσέγγιση της ομάδας είναι επίσης αυτή που τους επέτρεψε να κάνουν τόσες πολλές απροσδόκητες ανακαλύψεις.

Η σημασία του νευρώνα ALA

Για παράδειγμα, η Pradhan δεν υποπτευόταν ότι ο νευρώνας ALA θα αποδεικνυόταν ο νευρώνας που καταστέλλει τη σίτιση, αλλά όταν παρατήρησε τη συμπεριφορά τους για αρκετό καιρό, άρχισε να συνειδητοποιεί ότι η μειωμένη σίτιση προέκυπτε από τα σκουλήκια που έκαναν μικρά διαλείμματα που κανονικά δεν θα έκαναν. Καθώς αυτή και η Madan χειρίζονταν περισσότερα από δώδεκα γονίδια που πίστευαν ότι μπορεί να επηρεάζουν τη συμπεριφορά και τη σίτιση στο σκουλήκι, περιέλαβε ένα άλλο που ονομάζεται ceh-17 που είχε διαβάσει πριν από χρόνια και φαινόταν να προάγει επεισόδια “μικρο ύπνου” στα σκουλήκια. Όταν εξάλειψαν το ceh-17, διαπίστωσαν ότι αυτά τα σκουλήκια δεν μείωναν τη σίτιση όταν μολύνονταν, σε αντίθεση με τα κανονικά ζώα. Συμβαίνει ότι το ceh-17 είναι ειδικά απαραίτητο για να λειτουργεί σωστά ο ALA, έτσι η ομάδα συνειδητοποίησε ότι ο ALA μπορεί να εμπλέκεται στη συμπεριφορά μείωσης της σίτισης.

Η επιβεβαίωση του ρόλου του ALA