Механизм слюноотделения у круглых червей: нейроны управляют отдельными участками мышечных клеток

Исследователи из MIT обнаружили, как нейроны управляют сложным поведением — слюноотделением — у круглого червя Caenorhabditis elegans. Работа, опубликованная в eLife, показывает, что нейроны могут контролировать не целые мышечные клетки, а их специализированные субрегионы, что расширяет понимание нейронного контроля над мышцами.

От избегания света к слюноотделению

Более десяти лет известно, что лишённые глаз C. elegans избегают коротковолнового света. Ранее аспирант Нихил Бхатла из лаборатории Хорвица обнаружил, что свет не только заставляет червей уползать, но и прерывает процесс питания. Он предположил, что черви "ощущают на вкус" токсичные химические вещества (например, перекись водорода H2O2), которые генерирует свет. Позже выяснилось, что черви не только чувствуют вкус этих веществ, но и выплёвывают их.

Открытие поведения "слюноотделения"

Стив Сандо, ведущий автор исследования, обнаружил, что реакция червя на свет более сложна. После первоначальной паузы в питании глотка (фаринкс) начинает снова качать в коротких "всплесках". Замедлённая съёмка показала, что эти "всплески" направляют материал не в кишечник, а обратно — изо рта в окружающую среду. Черви буквально выплёвывают неприятный на вкус материал.

"Открытие того, что черви выплёвывают, было для нас довольно неожиданным, потому что рот двигался так же, как при жевании", — говорит Сандо. — "Оказалось, что нужно действительно увеличить масштаб и замедлить события, чтобы увидеть, что происходит".

Нейронный и мышечный механизм

Используя микрохирургию лазерным лучом и флуоресцентные репортёрные белки, команда определила механизм:

  • В норме: Три мышечные клетки в передней части глотки (pm3) синхронно сокращаются и расслабляются, проталкивая пищу.
  • При "вкусе" света: Субрегионы этих же клеток pm3, ближайшие ко рту, независимо блокируются в состоянии сокращения. Это открывает переднюю часть рта и меняет направление потока материала с "глотания" на "выплёвывание".

"Стив сделал замечательное открытие, что сокращение небольшой области конкретной мышечной клетки может быть развязано с сокращением остальной части той же клетки", — говорит старший автор работы Х. Роберт Хорвиц.

Роль нейрона-коммутатора

Это явление "разъединения" контролируется единственным нейроном M1 в задней части рта червя. Нейрон M1, действуя как коммутатор, вызывает локальный приток кальция в передний конец мышц pm3, что, вероятно, и запускает субклеточные сокращения.

Сила входящего сигнала в M1 может настраивать поведение: отвратительный вкус вызывает энергичное "полоскание" рта, а слегка неприятное ощущение — более мягкое выплёвывание.

Значение открытия

Это исследование показывает новый способ, с помощью которого нейроны управляют мышцами — на субклеточном уровне для создания сложного поведения. Авторы предполагают, что подобные механизмы могут существовать и у других животных, включая человека.

"Мы, по сути, нашли новый способ, с помощью которого нейрон может двигать мышцей", — говорит Сандо. — "Нейроны управляют движениями мышц, и это может быть новым инструментом, который позволяет им осуществлять сложный вид контроля. Это довольно захватывающе".