Planurile genetice simplifică analiza neuronilor pentru avansarea cercetării creierului mamiferelor
E. Josie Clowney nu ar susține că neuroștiința este simplă, dar un nou studiu realizat de echipa sa de la Universitatea din Michigan ar putea reduce drastic complexitatea studiilor viitoare.
Cercetarea s-a concentrat pe comportamente instinctuale ale muștelor de fructe, dar are potențialul de a accelera înțelegerea neurobiologiei care stă la baza comportamentului și luării deciziilor în mamifere, inclusiv în oameni.
Studiul stabilește o nouă modalitate de a înțelege neuronii, conectivitatea acestora și comportamentele pe care le controlează. În cadrul acestui nou cadru, cercetătorii pot ocoli abordarea convențională de a analiza fiecare tip de neuron în mod individual, concentrându-se în schimb pe grupuri definite prin structura comună și două seturi de gene reglatorii.
Lucrarea a fost susținută de Pew Charitable Trust și McKnight Endowment Fund for Neuroscience, cu finanțare suplimentară din partea National Institutes of Health și U.S. National Science Foundation.
Deși există peste 8.000 de tipuri de neuroni în cerebrul muștelor de fructe – partea creierului unde comportamentele instinctuale sunt programate – există mai puțin de 200 de grupuri structurale majore, sau planuri de bază. Conducând cercetarea, Najia Elkahlah a descoperit cum sunt stabilite aceste planuri de bază. Există o anumită ordine sau ierarhie, unde un set de gene coordonează formarea planului de bază, iar celălalt set produce mici diferențe în formă și conectivitate între neuroni în cadrul fiecărui plan de bază.
„În loc să studiem toate cele 8.000 de tipuri de neuroni, putem înțelege cum funcționează circuitele studind aceste 200 de elemente modulare care sunt conectate în diverse moduri pentru funcții diferite”, a afirmat Clowney.
Aceste seturi de gene au omologi în mamifere, iar multe dintre ele sunt cunoscute ca fiind esențiale în dezvoltarea neuronală a mamiferelor. Aceasta deschide posibilitatea descoperirii unor cadre similare de simplificare în alte organisme.
„În acest moment, nu este încă posibil să întrebăm dacă aceleași reguli se aplică părților analogice ale creierelor mamiferelor, deoarece nu știm suficient despre relațiile dintre circuite, gene sau programele de dezvoltare care funcționează acolo”, a declarat Clowney. „Dar simt cu tărie că vor exista reguli de simplificare de un anumit fel în mamifere, iar noi sau alții vom putea să le descoperim dacă ne inspirăm din modul în care am abordat această descoperire.”
Cercetarea a fost publicată în revista Nature.
Oamenii de știință studiază muștele de fructe ca model biologic încă dinainte de a ști că genele sunt formate din ADN. Această istorie a dus la descoperiri biologice fundamentale, precum și la o substanțială bază de lucrări pe care să se construiască noi cercetări.
„Motivele pentru care lucrăm cu acest animal astăzi sunt că are caracteristici utile care simplifică experimentele și interpretările noastre și pentru că vrem să profităm de 100 de ani de cunoștințe”, a spus Clowney. „În opinia mea – deși alții din domeniu ar putea să nu fie de acord – nu studiem acest animal pentru că este ‘special’, ci mai degrabă ca un exemplu generic de ‘animal’.”
În cadrul cerebrului Drosophila, cercetătorii, inclusiv Clowney, au descoperit anterior circuite neuronale specifice legate de comportamente instinctuale specifice. Această specificitate a ajutat echipa să descopere planurile de bază mai largi care pot ajuta la simplificarea căutării de a lega biologia moleculară și celulară de comportament.
Cercetătorii au descoperit că există două seturi de gene reglatorii în acțiune. Primul set controlează forma de bază a neuronului, în timp ce al doilea set influențează variațiile mai fine și conectivitatea.
Este acest prim set care dă naștere celor aproximativ 200 de planuri de bază. Dintre aceste 200, există un plan de bază care este conectat la detectarea unui gust și oprirea unui comportament. În cadrul acelui plan de bază, există circuite neuronale care detectează informațiile despre gustul neplăcut și opresc comportamentul de hrănire. O altă circuit detectează gusturile feromonale nedorite și blochează comportamentul de împerechere. Echipa a reușit să identifice al doilea set de gene care a dus la aceste două căi neuronale distincte și comportamente.
„Gândirea despre aceste două seturi de gene separat ne-a permis să corelăm programele de dezvoltare cu funcția circuitelor”, a spus Clowney. „Am identificat două seturi de gene care conferă neuronilor din centrul de luare a deciziilor al creierului caracteristicile lor grosiere versus cele fine și am definit o nouă modalitate de a studia aceste circuite.”
Tehnicianul de cercetare de la U-M, Joe Carter, și studenții la doctorat Yunzhi Lin și Yijie Pan au contribuit și ei la studiu. Laboratorul Clowney a colaborat cu Troy Shirangi, profesor la Universitatea Villanova.
