인간 치료에 중요한 벌레의 움직임을 제어하는 마스터 뉴런 발견

시나이 헬스(Sinai Health)와 토론토 대학교(University of Toronto)의 연구원들은 작은 회충인 C. Elegans의 신경계에서 인간 질병 치료와 로봇 공학 개발에 중요한 영향을 미칠 수 있는 메커니즘을 발견했습니다.

Lunenfeld-Tanenbaum 연구소의 Mei Zhen과 동료들이 주도한 이 연구는 Science Advances에 게재되었으며 다음과 같은 특정 뉴런의 핵심 역할을 밝혀냈습니다. AVA는 앞으로 이동과 뒤로 이동 사이를 전환하는 웜의 능력을 제어합니다.

벌레가 먹이가 있는 곳을 향해 기어갔다가 위험으로부터 빠르게 후퇴하는 것은 매우 중요합니다. 두 가지 행동이 상호 배타적일 때 이러한 행동은 동시에 앉고 달릴 수 없는 인간을 포함한 많은 동물의 전형적인 현상입니다.

과학자들은 오랫동안 벌레의 움직임 제어가 AVA와 AVB라는 두 뉴런의 단순한 상호 작용을 통해 이루어진다고 믿어 왔습니다. 전자는 후방 이동을 촉진하고 후자는 전진 이동을 촉진하는 것으로 생각되었으며, 각각은 이동 방향을 제어하기 위해 서로를 억제합니다.

그러나 Zhen 팀의 새로운 데이터는 이러한 개념에 도전하여 AVA 뉴런이 이중 역할을 하는 보다 복잡한 상호 작용을 보여줍니다. AVB를 억제하여 전진 동작을 즉시 중지할 뿐만 아니라 장기간 AVB 자극을 유지하여 전진 동작으로 다시 원활하게 전환되도록 합니다.

이 발견은 다양한 신호와 시간 척도에 따라 다양한 메커니즘을 통해 움직임을 미세하게 제어하는 AVA 뉴런의 능력을 강조합니다.

토론토 대학교 테머티 의과대학 분자유전학 교수인 Zhen은 "공학적 관점에서 볼 때 이는 매우 비용 효과적인 설계입니다."라고 말합니다. "피드백 회로를 강력하고 지속적으로 억제하면 동물이 불리한 조건에 반응하고 탈출할 수 있습니다. 동시에 제어 뉴런은 안전한 장소로 이동하기 위해 순방향 회로에 지속적인 가스를 계속 공급합니다."

이 연구를 이끈 Zhen 연구실의 전 박사 과정 학생인 Jun Meng은 동물이 이러한 반대 운동 상태 사이에서 어떻게 전환하는지 이해하는 것이 동물의 움직임을 이해하고 신경 장애에 대한 연구의 핵심이라고 말했습니다. p>

AVA 뉴런의 지배적인 역할에 대한 발견은 반세기 전 현대 유전학이 출현한 이후 과학자들이 연구해 온 신경 회로에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다. Zhen의 연구실에서는 첨단 기술을 성공적으로 사용하여 개별 뉴런의 활동을 정밀하게 조절하고 움직이는 살아있는 벌레의 데이터를 기록했습니다.

토론토 대학교 예술과학부 세포 및 시스템 생물학 교수이기도 한 Zhen은 이 연구에서 학제간 협력의 중요성을 강조합니다. Meng은 주요 실험을 수행했으며, 뉴런의 전기적 기록은 중국 화중 과학기술대학교 Shanban Gao 연구실의 학생인 Bing Yu 박사가 수행했습니다.

Zhen 연구실의 전 박사후 연구원이자 현재 미국 HHMI Janelia 연구 캠퍼스의 이론 펠로우인 Tosif Ahmed는 가설을 테스트하고 새로운 지식을 생성하는 데 중요한 수학적 모델링을 주도했습니다.

AVA와 AVB는 막 전위 범위와 역학이 다릅니다. 출처: Science Advances(2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk0002

연구 결과는 인간의 신경학적 상태에 적용할 수 있는 개념인 운동 제어에서 뉴런이 어떻게 여러 역할을 조율할 수 있는지 연구하기 위한 단순화된 모델을 제공합니다.

예를 들어, AVA의 이중 역할은 표면의 이온 채널에 의해 조절되는 전위에 따라 달라집니다. Zhen은 유사한 이온 채널의 돌연변이로 인해 발생하는 CLIFAHDD 증후군이라는 희귀 질환에 유사한 메커니즘이 어떻게 관련될 수 있는지 이미 조사하고 있습니다. 새로운 발견은 복잡한 움직임을 수행할 수 있는 보다 적응력이 뛰어나고 효율적인 로봇 시스템의 개발에 도움이 될 수도 있습니다.

Lunenfeld-Tanenbaum 연구소 소장인 Anne-Claude Gingras는 "현대 과학의 기원부터 오늘날 최첨단 연구에 이르기까지 C. Elegans와 같은 모델 유기체는 생물학적 시스템의 복잡성을 밝히는 데 중요한 역할을 합니다."라고 말했습니다. Sinai Health 연구 담당 부사장. "이 연구는 단순한 동물로부터 배우고 그 지식을 의학 및 기술 발전에 어떻게 적용할 수 있는지 보여주는 훌륭한 예입니다."