Il neurone AWA si estende dal cervello del verme al naso. Credito:Ian McLachlan/MIT Picower Institute
Supponiamo che tu viva di fronte a una panetteria. A volte sei affamato e quindi tentato quando gli odori aleggiano dalla tua finestra, ma altre volte la sazietà ti rende indifferente. A volte fare un salto per un popover sembra senza problemi, ma a volte il tuo dispettoso ex è lì. Il tuo cervello bilancia molte influenze nel determinare cosa farai. Un nuovo studio del MIT descrive in dettaglio un esempio di questo lavoro in un animale molto più semplice, evidenziando un principio potenzialmente fondamentale di come i sistemi nervosi integrano molteplici fattori per guidare il comportamento di ricerca del cibo.
Tutti gli animali condividono la sfida di soppesare diversi segnali sensoriali e stati interni quando formulano comportamenti, ma gli scienziati sanno poco su come ciò avvenga effettivamente. Per ottenere una visione approfondita, il team di ricerca con sede presso il Picower Institute for Learning and Memory si è rivolto al verme C. elegans, i cui stati comportamentali ben definiti e il sistema nervoso a 302 cellule rendono il complesso problema almeno trattabile. Sono emersi con un caso di studio su come in un neurone olfattivo cruciale chiamato AWA, molte fonti di stato e informazioni sensoriali convergono per limitare in modo indipendente l'espressione di un recettore dell'olfatto chiave. L'integrazione della loro influenza sull'abbondanza di quel recettore determina quindi il modo in cui l'AWA guida il vagabondaggio per il cibo.
"In questo studio, abbiamo analizzato i meccanismi che controllano i livelli di un singolo recettore olfattivo in un singolo neurone olfattivo, in base allo stato in corso e agli stimoli sperimentati dagli animali", ha affermato l'autore senior Steven Flavell, professore associato di Lister Brothers presso il Dipartimento di MIT del MIT. Cervello e scienze cognitive. "Capire come avviene l'integrazione in una cellula indicherà la strada per come può accadere in generale, in altri neuroni di vermi e in altri animali."
Il postdoc del MIT Ian McLachlan ha condotto lo studio pubblicato il 31 agosto su eLife . Ha detto che il team non sapeva necessariamente cosa avrebbe scoperto all'inizio.
"Siamo rimasti sorpresi di scoprire che gli stati interni dell'animale potrebbero avere un tale impatto sull'espressione genica a livello dei neuroni sensoriali:in sostanza, la fame e lo stress hanno causato cambiamenti nel modo in cui l'animale percepisce il mondo esterno cambiando ciò a cui rispondono i neuroni sensoriali", Egli ha detto. "Siamo stati anche entusiasti di vedere che l'espressione dei chemocettori non dipendeva solo da un input, ma dipendeva dalla somma totale dell'ambiente esterno, dallo stato nutrizionale e dai livelli di stress. Questo è un nuovo modo di pensare a come gli animali codificano per la competizione stati e stimoli nei loro cervelli".
In effetti McLachlan, Flavell e il loro team non sono andati alla ricerca specifica del neurone AWA o del chemocettore olfattivo specifico, soprannominato STR-44. Invece quei bersagli sono emersi dai dati imparziali che hanno raccolto quando hanno esaminato quali geni cambiavano di più nell'espressione quando i vermi venivano tenuti lontani dal cibo per tre ore rispetto a quando erano ben nutriti. Come categoria, i geni per molti recettori chemiosensoriali hanno mostrato enormi differenze. L'AWA si è rivelato un neurone con un gran numero di questi geni sovraregolati e due recettori, STR-44 e SRD-28, sono apparsi particolarmente prominenti tra questi.
Questo risultato da solo ha mostrato che uno stato interno (fame) ha influenzato il grado di espressione del recettore in un neurone sensoriale. McLachlan e i suoi coautori sono stati quindi in grado di dimostrare che l'espressione di STR-44 è cambiata anche in modo indipendente in base alla presenza di una sostanza chimica stressante, basata su una varietà di odori di cibo e sul fatto che il verme avesse ricevuto i benefici metabolici del consumo di cibo. Ulteriori test condotti dalla studentessa laureata e co-seconda autrice Talya Kramer hanno rivelato quali odori attivano STR-44, consentendo ai ricercatori di dimostrare quindi come i cambiamenti nell'espressione di STR-44 all'interno dell'AWA abbiano influenzato direttamente il comportamento di ricerca del cibo. E ancora più ricerche hanno identificato i mezzi molecolari e circuitali esatti con cui questi segnali variabili arrivano all'AWA e come agiscono all'interno della cellula per modificare l'espressione di STR-44.
Ad esempio, in un esperimento, McLachlan e il team di Flavell hanno dimostrato che mentre sia i vermi nutriti che quelli affamati si contorcerebbero verso gli odori preferiti dei recettori se fossero abbastanza forti, solo i vermi a digiuno (che esprimono più del recettore) potrebbero rilevare concentrazioni più deboli. In un altro esperimento hanno scoperto che mentre i vermi affamati rallenteranno a mangiare quando raggiungono una fonte di cibo anche se i vermi ben nutriti passano, potrebbero far agire i vermi ben nutriti come quelli a digiuno sovraesprimendo artificialmente STR-44. Tali esperimenti hanno dimostrato che i cambiamenti dell'espressione di STR-44 hanno un effetto diretto sulla ricerca di cibo.
Altri esperimenti hanno mostrato come molteplici fattori spingono e tirano su STR-44. Ad esempio, hanno scoperto che quando hanno aggiunto una sostanza chimica che stressa i vermi, questo ha ridotto l'espressione di STR-44 anche nei vermi a digiuno. E in seguito hanno dimostrato che lo stesso fattore di stress ha soppresso l'impulso dei vermi di contorcersi verso l'odore a cui risponde STR-44. Quindi, proprio come potresti evitare di seguire il naso in panetteria, anche quando hai fame, se vedi il tuo ex lì, i vermi valutano le fonti di stress rispetto alla loro fame quando decidono se avvicinarsi al cibo. Lo fanno, mostra lo studio, in base a come questi diversi segnali e stati spingono e tirano sull'espressione di STR-44 in AWA.
Diversi altri esperimenti hanno esaminato i percorsi del sistema nervoso del verme che portano all'AWA segnali sensoriali, di fame e di alimentazione attiva. L'assistente tecnico Malvika Dua ha contribuito a rivelare come altri neuroni di rilevamento del cibo influenzino l'espressione di STR-44 nell'AWA tramite la segnalazione dell'insulina e le connessioni sinaptiche. I segnali sul fatto che il verme stia mangiando attivamente arrivano all'AWA dai neuroni nell'intestino che utilizzano un sensore di nutrienti molecolari chiamato TORC2. Questi, e il percorso di rilevamento dello stress, hanno tutti agito su FOXO, che è un regolatore dell'espressione genica. In altre parole, tutti gli input che influenzano l'espressione di STR-44 in AWA lo facevano spingendo e tirando in modo indipendente la stessa leva molecolare.
Flavell e McLachlan hanno notato che percorsi come l'insulina e il TORC2 sono presenti non solo in altri neuroni sensoriali dei vermi, ma anche in molti altri animali, compreso l'uomo. Inoltre, i recettori sensoriali sono stati sovraregolati dal digiuno in più neuroni rispetto al solo AWA. Queste sovrapposizioni suggeriscono che il meccanismo che hanno scoperto nell'AWA per l'integrazione delle informazioni è probabilmente in gioco in altri neuroni e forse in altri animali, ha detto Flavell.
E, ha aggiunto McLachlan, le informazioni di base di questo studio potrebbero aiutare a informare la ricerca su come la segnalazione intestino-cervello tramite TORC2 funziona nelle persone.
"Questo sta emergendo come un percorso importante per la segnalazione dall'intestino al cervello in C. elegans e spero che alla fine avrà un'importanza traslazionale per la salute umana", ha affermato McLachlan. + Esplora ulteriormente
