Un team guidato da un neuroscienziato della City University di Hong Kong (CityU) ha identificato un meccanismo chiave di un orologio biologico che assicura che i nematodi rimangano regolari defecando a intervalli regolari.

La fase di defecazione è sotto il controllo temporizzato di una cellula nervosa situata nella testa del verme. Questa cellula emette un impulso nervoso, o una scarica elettrica, ogni 45 secondi circa. Ogni impulso viene immediatamente trasmesso lungo il verme attraverso una fibra nervosa che entra in contatto con una cellula nervosa nella coda. Questa cellula emette quindi un impulso con l'impulso quasi sincronizzato dalla cellula nervosa della testa che stimola i muscoli dell'intestino inferiore ad espellere le feci.

"Il nematode lungo 1 millimetro Caenorhabditis elegans, o C. elegans, è usato come organismo modello dagli scienziati della vita di tutto il mondo. Quando i vermi selvatici sono in presenza di cibo in abbondanza, mangiano costantemente senza fermarsi ma fa la cacca ogni 45 secondi con una precisione quasi simile a quella di un orologio. Perché e come i vermi lo fanno ha attirato i ricercatori a studiarne i meccanismi sottostanti", afferma il dottor Liu Qiang, co-leader del team, professore assistente presso il Dipartimento di Neuroscienze della CityU. "Le nostre scoperte risolvono questo mistero di 30 anni e approfondiscono la nostra comprensione della generazione del comportamento ritmico, nonché delle connessioni tra il sistema nervoso e la fisiologia di un animale".

La ricerca è stata supervisionata congiuntamente dal Dr. Liu Qiang di CityU e dal Dr. Louis Tao dell'Università di Pechino. I risultati sono stati pubblicati il ​​19 maggio 2022 in Nature Communications , con il titolo "I motoneuroni enterici di C. elegans attivano potenziali d'azione sincronizzati alla base del programma motorio della defecazione".

Circuito intestino-cervello

C. elegans è ben studiato nelle neuroscienze e nella ricerca sul cervello e tutte le 302 cellule del suo sistema nervoso sono state identificate, denominate e mappate fisicamente insieme a tutte le loro connessioni nervose. Le due importanti cellule nervose coinvolte nella regolazione dei movimenti intestinali sono AVL nella testa e DVB nella coda.

"I ricercatori sapevano che l'intestino di C. elegans genera un aumento periodico di calcio chiamato onde di calcio nelle cellule dell'epitelio, che causano il rilascio di neuropeptidi intestinali che stimolano le cellule nervose AVL e DVB, portando alla defecazione. Tuttavia, i meccanismi alla base della comunicazione tra l'intestino e il cervello erano sconosciuti. In che modo i due neuroni enterici, uno nella testa del verme e l'altro nella coda, comunicano tra loro su una distanza così lunga mentre elaborano il segnale di temporizzazione ricevuto dall'intestino con notevole robustezza e precisione?" dice il dottor Liu. "Per la prima volta, abbiamo dimostrato che le cellule nervose AVL e DVB producono impulsi con o senza picchi, o potenziali d'azione, e questa segnalazione digitale consente all'AVL nella testa di eseguire comunicazioni istantanee a lunga distanza con DVB nella coda per regolare l'espulsione delle feci."

Poiché gli ioni calcio si riversano nella cellula durante ogni impulso nervoso, i ricercatori hanno esaminato la segnalazione da AVL a DVB utilizzando uno speciale microscopio per registrare i vermi che erano stati programmati per brillare di verde fluorescente in presenza di calcio. Per prima cosa hanno osservato un'ondata generale di calcio che si muoveva lungo l'intestino. Dopo circa 3 secondi, hanno rilevato picchi di calcio quasi simultanei in AVL e DVB che sono durati mezzo secondo e si sono ripetuti circa una volta ogni 45 secondi (vedi Figura 1).

I picchi di calcio in AVL e DVB hanno coinciso con movimenti muscolari dalla testa alla coda che si sono verificati quasi contemporaneamente all'espulsione delle feci. Da questi risultati, i ricercatori concludono che, sebbene l'intestino stesso sia il pacemaker generale della defecazione, gli impulsi AVL e DVB sincronizzati controllano i tempi e la coordinazione precisi dei movimenti testa-coda del corpo e dell'intestino necessari per la fase di espulsione.

Potenziale d'azione multitasking

Le misurazioni dirette della tensione attraverso la membrana delle cellule AVL e DVB isolate hanno confermato i profili a spillo dei loro potenziali d'azione. Un esame più attento ha rivelato che l'impulso AVL è un potenziale d'azione insolito costituito da due picchi ravvicinati. Il primo picco agisce come un segnale positivo e rapido (aumento del segnale in circa 100 millisecondi, cerchio rosso nella Figura 2) che si propaga rapidamente a DVB (in millisecondi) e attiva la sequenza di movimenti muscolari che portano a un movimento intestinale. Il secondo picco agisce come un segnale negativo e più lento (in secondi, cerchio giallo nella Figura 2) che interrompe la sequenza per inibire ulteriori movimenti intestinali e quindi prevenire un'eccessiva escrezione. Inoltre, ogni impulso AVL è seguito anche da una fase di undershoot negativa di lunga durata (in decine di secondi, cerchio verde nella Figura 2) che inibisce gli impulsi di mancata accensione DVB quando non dovrebbe.

"La cellula nervosa AVL nella testa svolge il ruolo più cruciale nella regolazione del ritmo della defecazione su più scale temporali", afferma il dott. Liu. "Non solo trasmette, ma modula anche il segnale del pacemaker dall'intestino ripristinando il sistema durante ogni ciclo di defecazione e prevenendo la mancata accensione dei nervi tra i cicli, in modo che l'orologio biologico sia mantenuto robusto e preciso."

Questo studio apre la strada a ulteriori ricerche sulla comunicazione intestino-cervello e su altri sistemi di orologio biologico alla base dei comportamenti animali ripetitivi. "Non ho dubbi che i principi fondamentali della funzione cerebrale appresi dallo studio dei vermi saranno usati come trampolino di lancio per acquisire la comprensione di cervelli più complessi come il nostro", aggiunge il dottor Liu.