Seit fast 50 Jahren interessiert ein kieferloser Fisch namens Neunauge Wissenschaftler wegen seiner bemerkenswerten Fähigkeit, sich von Rückenmarksverletzungen zu erholen. A neue Studie zeigt eine mögliche Technik, mit der Neunaugen trotz spärlicher neuraler Regeneration wieder schwimmen können.
Christina Hamlet von der Bucknell University und Mitarbeiter, darunter Jennifer R. Morgan vom Marine Biological Laboratory (MBL), verwendeten ein mathematisches Modell, um zu demonstrieren, wie Neunaugen Feedback zur Körperwahrnehmung nutzen können, um nach einer Wirbelsäulenverletzung wieder schwimmen zu können. Die Studie könnte zu neuen therapeutischen Ansätzen bei Menschen oder Algorithmen zur Fortbewegung in weichen Robotern inspirieren. Das Papier ist erschienen in Proceedings of the National Academy of Sciences.
„Die Pointe des Papiers ist, dass selbst in Ermangelung eines absteigenden Befehls darüber [spinal] Läsion, können Sie das sensorische Feedback verstärken und die Fortbewegung wiederherstellen“, sagte Morgan, MBL Senior Scientist und Direktor des Eugene Bell Center for Regenerative Biology and Tissue Engineering des MBL.
Im Gegensatz zu Menschen und anderen Säugetieren erholen sich Neunaugen auch nach schweren Läsionen hoch oben im Rückenmark schnell und fast vollständig. Morgan entdeckte zuvor, dass die neurale Regeneration zwar die Genesung von Neunaugen unterstützt, aber nicht die ganze Geschichte erzählt. Nur ein kleiner Prozentsatz der Neuronen und neuronalen Verbindungen wird über eine Wirbelsäulenverletzung hinweg wiederhergestellt, daher müssen sie einen anderen Mechanismus verwenden.
„Ich hatte all diese Fragen darüber, wie das möglicherweise funktionieren könnte. Wie könnte man mit ein paar kleinen, spärlichen Verbindungen ein funktionierendes Nervensystem bekommen?“ fragte Morgan.
Wissenschaftler hatten die Hypothese aufgestellt, dass Neunaugen zusätzlich zu den absteigenden neuralen Verbindungen im Rückenmark körperempfindliches Feedback (Propriozeption oder Kinästhesie genannt) verwenden könnten, um ihre Bewegungen zu steuern. Morgan hatte dies mit einem alten Freund von ihr vom MBL, Eric Tytell, außerordentlicher Professor für Biologie an der Tufts University und ehemaliger Ermittler des MBL Whitman Center, erreicht. Eric arbeitete bereits mit Lisa Fauci, einer Professorin für Mathematik an der Tulane University, und Christina Hamlet zusammen, die als Postdoc an der Tulane Co-Mentorin war.
Das biologisch plausibelste Modell einer Neunauge-Wirbelsäulenläsion zeigt, wie sie Kinästhesie (Propriozeption) nutzen könnten, um die Schwimmfähigkeit wiederzuerlangen. Bildnachweis: Von Christina Hamlet et al., PNAS2023, DOI: 10.1073/pnas.2213302120.
Tytell, Fauci und Hamlet verwendeten mathematische Modelle, um die Bewegung von Neunaugen nachzuahmen. Sie taten sich zusammen, um „zu sehen, ob wir einige der Auswirkungen von sensorischem Feedback auf das Schwimmverhalten bei Neunaugen modellieren können“, sagte Hamlet, der derzeit Assistenzprofessor für Mathematik an der Bucknell University ist.
Das Team begann, mit verschiedenen Szenarien von an der Wirbelsäule verletzten Neunaugen herumzuspielen – darunter sowohl biologisch plausible als auch unglaubwürdige –, die alle davon ausgingen, dass keine neurale Regeneration über die Rückenmarksläsion hinweg stattfindet. Das ist der Nutzen des Modellierens, sagte Hamlet, „Wir können Dinge zerstören, die man in der Biologie nicht zerstören kann.“ Das Modell berücksichtigte die Krümmungen und Dehnungen, die im Körper über der Läsion erzeugt wurden, und sendete diese Informationen über die Muskeln, nicht über das Rückenmark, an den Rest des Körpers.
Selbst bei einem moderaten Maß an sensorischem Feedback zeigten die Modelle eine überraschende Wiederherstellung der Schwimmmuster in den biologisch plausiblen Modellen. Ein stärkeres sensorisches Feedback führte zu einer noch größeren Verbesserung.
Da Neunaugen nach einer Läsion einige ihrer Neuronen nachwachsen lassen und daher vom Gehirn absteigende Befehle zum Antreiben der Bewegung erhalten, benötigen sie möglicherweise noch weniger sensorisches Feedback als das Modell. Das Team hofft, die neuronale Regeneration in das Modell aufzunehmen und zu testen, wie sich dies auf die Bewegung auswirkt und mit sensorischem Feedback interagiert.
„Wenn Sie ein gutes Rechenmodell haben, können Sie so viel mehr Manipulationsszenarien durchspielen, als mit Experimenten praktikabel ist“, sagte Morgan.
Das Team hofft, dass diese Studie und zukünftige Forschung zu Therapien für Menschen mit Wirbelsäulenverletzungen und Erkrankungen beitragen werden, die die Bewegung beeinträchtigen. Brain-Machine-Interfaces und Stimulatorgeräte beginnen damit, Körpersensor-Feedback zu integrieren, um sanftere Bewegungen nach einer Verletzung zu erzeugen, und diese Forschung könnte Aufschluss über die Menge und Art des Feedbacks geben, die Menschen benötigen.
„Ob du ein Tier wie ein Neunauge bist [recovers] spontan oder einem Menschen, dem ein Medikament oder ein Elektrostimulationsgerät verabreicht werden muss, an den Punkt zu gelangen, an dem Sie ein paar Dinge an der richtigen Stelle haben und dann das wiederverwenden, was bereits vorhanden ist, sollte erreichbarer sein, als zu versuchen, das identische ursprüngliche Muster von zu rekapitulieren synaptische Verbindungen und Wachstum“, sagte Morgan.
Mehr Informationen:
Christina Hamlet et al, Proprioceptive Feedback Amplification stellt eine effektive Fortbewegung in einem neuromechanischen Modell von Neunaugen mit Wirbelsäulenverletzungen wieder her, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2213302120