Het belang van de structuur van het zenuwstelsel en de evolutie van de neurale bedrading

Een nieuwe studie, in de online editie van de Proceedings van de National Academy of Sciences , toont een ongelooflijke mate van biologische diversiteit op een verrassende locatie, d.w.z. in een enkele neurale verbinding in de lichaamswand van vliegen. De bevinding opent een nieuw spectrum van interessante vragen over het belang van de structuur van het zenuwstelsel en de evolutie van neurale bedrading.
Geneticus Barry Ganetzky, Steenbock hoogleraar Biological Sciences aan de Universiteit van Wisconsin-Madison verklaarde:

"We weten bijna niets over de evolutie van het zenuwstelsel, hoewel we weten dat het moet gebeuren - gedragsveranderingen, complexiteitsveranderingen, er is de toevoeging van nieuwe neuronen, de vorming van verschillende synaptische verbindingen."

De bevinding is nog verbazingwekkender omdat Ganetzky en zijn afgestudeerde student Megan Campbell de onverwachte diversiteit ontdekten op een locatie die heel bekend was bij wetenschappers, namelijk de neuromusculaire junctie 4 (NMJ4), de locatie waar een enkel motorneuron in contact komt met een bepaalde spier in de vlieg. lichaamsmuur om zijn activiteit te besturen. De synapsen waar neuronen verbinding maken met hun neuronale of musculaire doelwit hebben een complexe structuur, ze zien eruit als miniatuurbomen versierd met kleine bollen die de zenuwuiteinden zijn (synaptische boutons).
Ganetzky legt uit:

"Synapsen zijn waar de belangrijke informatie-overdracht en integratieve functies van het zenuwstelsel plaatsvinden.Het is de fundamentele plaats waar informatieverwerking plaatsvindt, en er is een onderliggende overtuiging dat de structuur van de synaps essentieel is om de functie ervan te begrijpen."

Elke spier wordt geleverd door een ander motorneuron dat een NMJ vormt met een vorm, maat en geometriekarakteristiek voor die specifieke NMJ. Gezien de consistentie van de vlieganatomie, zelfs over verschillende soorten stelt het onderzoekers in staat om exact dezelfde synaps te identificeren in verschillende individuele vliegen. De synaptische ontwikkeling en functie van NMJ4 is goed onderzocht en Ganetzky heeft NMJ4 al meer dan 20 jaar gebruikt om genen te identificeren met een groot aantal biologische functies, van bewegingsstoornissen tot neurodegeneratie.
Het nieuwste project is afgeleid van een eenvoudig debat over wat echt "normaal" is voor fruitvliegjes in een laboratorium en hun wilde tegenhangers. Campbell ontdekte tijdens een onderzoek van de NMJ4 in de gemeenschappelijke laboratoriumvlieg, Drosophila melanogaster, dat de synaptische morfologie tussen in het lab gefokte en wilde vliegen, evenals tussen stammen verkregen in Madison, Wis., En stammen van zo ver weg als Zimbabwe was consistent, met alle vliegen met vergelijkbare uitziende priëlen en boutons.

Aangemoedigd door de ontdekking besloten ze om verder te onderzoeken. Ganetzky zegt: "Drosophila is een zeer rijk geslacht - duizenden soorten met verschillend gedrag, verschillende voedingsvoorkeuren, verschillende omgevingen, verschillende klimaten, verschillende groottes - met meer dan 50 miljoen jaar van divergentie." Het kan worden vergeleken met de evolutionaire scheiding tussen muizen en mensen.
Hij voegt eraan toe dat, ongeacht deze verschillen, het larvenlichaamsplan precies hetzelfde is voor alle bekende Drosophila-soorten, ongeacht hun grootte, habitat of voedselbron, en verklaart:
"Cel voor cel, de musculatuur van de lichaamswand en innervatiepatronen zijn identiek."
Ze begonnen met het onderzoeken van NMJ4 in andere Drosophila-soorten met behulp van de vliegcollectie van UW-Madison evolutionair bioloog Sean B. Carroll. Ze verwachtten voorspelbare patronen te vinden met kleine variaties wanneer ze zich concentreerden op hun doelwit synaps in 21 verschillende soorten Drosophila van over de hele wereld, maar na slechts enkele soorten te hebben onderzocht, zei Campbell dat er een ander beeld naar voren kwam.
Vergelijkbaar met Drosophila melanogaster, had elke soort een karakteristiek NMJ4-uiterlijk, maar deze verschijning verschilde aanzienlijk van soort tot soort. Terwijl NMJ4 in sommige soorten bestond uit een paar boutons gerangschikt in een eenvoudig onvertakt patroon, hadden anderen verschillende boutons verdeeld over verschillende lange takken, of vele boutons verpakt in dichte, strak geclusterde priëlen.
Hoewel Ganetzky verklaart: "De resultaten waren absoluut flabbergasting - variatie die veel verder gaat dan we ooit verwacht hadden", waren er meer verrassingen.
De opvallende variaties in complexiteit kwamen niet overeen met een evolutionaire relatie tussen de soorten, d.w.z. de NMJ's van nauw verwante soorten leken niet meer op elkaar in vergelijking met die van meer verre verwante soorten.
Ze ontdekten zelfs duidelijke variaties tussen soorten die werden gescheiden door minder dan een miljoen jaar evolutie, soorten die anders zo op elkaar lijken dat zelfs vliegexperts moeite hebben om ze te onderscheiden op basis van hun uiterlijk. Volgens de onderzoekers is zo'n snelle evolutie verbluffend, hoewel het biologisch belang ervan nog steeds onduidelijk is.
Een antwoord op de vraag wat zo'n buitengewone variatie zou kunnen verklaren, is de mogelijkheid van genetische drift, een willekeurige opeenstapeling van genetische variaties die het uiterlijk van de NMJ veranderen maar die anders geen impact hebben op het organisme. Kortom, elke NMJ die het doel dient, is voldoende. Een ander alternatief zou kunnen zijn dat elke NMJ wordt gevormd door natuurlijke selectie vanwege zijn specifieke grootte en structuur om op de een of andere manier de overleving of het reproductieve succes voor leden van die soort te vergroten.
Bijgestaan ??door mede-UW-Madison genetici Bret Payseur en Beth Dumont, gebruikten de onderzoekers een kwantitatief model om de verschillende NMJ-structuren te onderzoeken, als een functie van de evolutionaire connectie tussen 11 soorten, waarvan de evolutionaire boom nauwkeurig bekend is uit genoomsequencing.
Ganetzky zegt dat de resultaten aantonen dat de waargenomen variabiliteit niet willekeurig lijkt, en zegt:
"Wat dat suggereert, is dat er enige drijvende kracht is - natuurlijke selectie - die de synaps vormgeeft om een ??bepaalde manier te zijn."
Ze veronderstelden dat de neurale functie een voor de hand liggend doelwit zou zijn van selectie en gemeten elektrische activiteit in het circuit, maar ontdekte activiteitsopnamen van vier soorten om het bereik van de structurele complexiteit weer te geven, onthulde dezelfde neurale basishandelingen, ongeacht de synaptische structuur.

Volgens de onderzoekers kunnen er subtiele functionele verschillen zijn tussen de verschillende NMJ-structuren die niet werden gedetecteerd door hun assay, maar die konden divergeren in verschillende biologische verschillen. Bijvoorbeeld lerend vermogen of stressreacties die een doelwit zouden zijn voor natuurlijke selectie.
Ganetzky reageert:
"We geloven dat er een reden is waarom de variatie ertoe doet, maar we weten nog niet wat die reden is."
Campbell en Ganetzky onderzoeken momenteel of er onderliggende genetische en moleculaire mechanismen zijn en het biologische belang van die natuurlijk voorkomende variatie.
Ganetzky concludeert:

"We denken dat we een belangrijke ontdekking hebben gedaan over de natuur waarvan we denken dat het allerlei nieuwe deuren opent. Op dit moment hebben we veel, veel meer vragen opgeworpen dan we hebben beantwoord ... vragen over de evolutie van zenuwstelsels, evolutie van het gedrag, de relatie tussen neuronale en synaptische morfologie en functie.Ik hoop dat dit de interesse van wetenschappers in veel andere velden aantrekt om hun eigen expertisegebied toe te passen. "

Geschreven door Petra Rattue