Eine gemeinsame Forschung unter der Leitung von Ayaka Matsumoto und Yuichi Iino von der Universität Tokio zeigt, dass eine zeitliche Abnahme der Salzkonzentration zur Aktivierung des Hals-Motoneurons von Spulwürmern führt, allerdings nur in einer bestimmten Phase seiner Aktivität.
Durch die Aktivierung wird die Flugbahn des Spulwurms in Richtung höherer Salzkonzentrationen angepasst. Der Befund zeigt den neuronalen Mechanismus, durch den Spulwürmer sensorische und motorische Informationen integrieren, ein erster Schritt zum Verständnis der neuronalen Navigationsmechanismen bei komplexeren Tieren. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
Die menschliche Zivilisation brauchte Tausende von Jahren konzentrierter Anstrengung, um (einigermaßen) selbstfahrende Fahrzeuge zu bauen. Doch selbst die einfachsten Tiere können sensorische Informationen über ihre Umgebung integrieren und ihre Bewegungen entsprechend anpassen. Daher ist die Integration sensorischer Informationen und motorischer Kontrolle eine der grundlegendsten Fragen, mit denen sich ein Biologe befassen kann.
Genau dafür entschied sich das Forschungsteam mithilfe einer Spulwurmart namens Caenorhabditis elegans. Die insgesamt 302 Neuronen von C. elegans sind vollständig kartiert, sodass es möglich ist, die Wirkung eines einzelnen Neurons zu manipulieren und zu beobachten.
„Spulwürmer wandern langsam in Richtung Regionen mit höheren Salzkonzentrationen“, erklärt Matsumoto, der Erstautor der Studie. „Um dieses Krümmungsverhalten zu kontrollieren, müssen Spulwürmer die Salzkonzentrationen senkrecht zu ihrer Bewegungsbahn erfassen. Sie verfügen jedoch nur über einen einzigen Punktsensor, was es ihnen unmöglich macht, Salzkonzentrationen im Weltraum zu erfassen. Daher Spulwürmer muss zeitliche Änderungen der Salzkonzentrationen verarbeiten, um die bevorzugte Seite zu erkennen.“
Ein Spulwurm, der im Kopfschwingchip „eingeklemmt“ ist und dessen Kopf hin und her schwingt, während er versucht, sich in seiner Umgebung zurechtzufinden. Bildnachweis: Matsumoto et al. 2024
Um diese Hypothese zu untersuchen, verwendete das Team einen „Head-Swing-Chip“, ein winziges Gerät, das es den Würmern ermöglicht, ihren Kopf frei zu bewegen. Anschließend beobachteten die Forscher, wie die in diesem Gerät „eingespannten“ Tiere auf steigende oder sinkende Salzkonzentrationen reagierten.
Spulwürmer bewegen sich fort, indem sie die Muskeln anspannen, die entlang der längeren Achse ihres Körpers verlaufen. Infolgedessen schwingen ihre Köpfe zwischen der Richtung ihres Bauches (Bauchseite) und ihres Rückens (Rückseite) hin und her und biegen sich schließlich mehr in die Richtung, in die sie gehen wollen.
Dabei stellten die Forscher fest, dass sinkende Salzkonzentrationen das dorsale Halsneuron SMBD nur in einer bestimmten Phase seiner Aktivität aktivierten und seine Aktivität stark mit Nackenschwingungen korrelierte. Die Aktivierung von SMBD als Reaktion auf eine Abnahme der Salzkonzentration entsprach dem Zeitpunkt, zu dem sich der Hals zur ventralen Seite beugte. Dies deutet darauf hin, dass SMBD die niedrigeren Salzkonzentrationen auf der Bauchseite des Körpers erkennt.
Darüber hinaus stellte das Team fest, dass die künstliche Aktivierung von SMBD während der Halsbeugung zur ventralen Seite die nachfolgende ventrale Halsbeugung flacher machte. Durch die Kombination ihrer Ergebnisse gelangte das Team zu dem Schluss, dass SMBD nicht nur bei der Erkennung von Änderungen der Salzkonzentrationen eine Rolle spielt, sondern auch bei der Unterdrückung des Nackenbeugens zur Seite mit niedrigeren Konzentrationen. Dadurch wird der Wurm zu höheren Salzkonzentrationen gelenkt.
„Obwohl wir herausgefunden haben, dass das SMBD-Neuron sensorische und motorische Informationen integriert, sind die molekularen Mechanismen der Integration noch unbekannt“, sagt Matsumoto und weist auf zukünftige Forschung hin.
„Daher interessiert uns, was im Inneren des SMBD-Neurons vor sich geht, während es Änderungen der Salzkonzentration und Nackenbewegungen wahrnimmt. Außerdem würden wir gerne die Aktivität aller Neuronen im Gehirn gleichzeitig während der Navigation beobachten.“
Mehr Informationen:
Neuronale sensomotorische Integration steuert die Salzkonzentrationsnavigation bei Caenorhabditis elegans, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2024). DOI: 10.1073/pnas.2310735121. doi.org/10.1073/pnas.2310735121