Molekylär logik för nätverk som styr lokomotorisk hastighet
Forskare vid Karolinska Institutet har avslöjat den molekylära logiken som ligger till grund för uppbyggnaden av ryggmärgskretsar som styr förflyttningshastigheten hos vuxna zebrafiskar. Studien har nyligen publicerats i Nature Neuroscience.
Vad visar studien?
Ett grundläggande kännetecken för motoriska handlingar är flexibiliteten i timing, hastighet och styrka, vilket är centralt för snabb anpassning till den ständigt föränderliga världen omkring oss. Detta är särskilt tydligt under förflyttning, ett beteende som involverar helkroppskoordinering som kännetecknas av plötsliga förändringar i hastighet och styrka.
– I den här studien använde vi RNA-sekvensering i enstaka celler hos vuxna zebrafiskar för att koppla den molekylära mångfalden av motoneuroner och interneuroner med deras modulära kretsorganisation som är ansvarig för förändringar i rörelsehastighet, säger Abdel El Manira, professor vid institutionen för neurovetenskap vid Karolinska Institutet, och huvudförfattare till artikeln.
– Vi visar att varje neuronal population består av tre specifika subtyper som definieras av viktiga molekylära egenskaper och motsvarar nervceller som ligger till grund för förflyttning vid långsamma, mellanliggande och snabba hastigheter.
Forskarnas analys avslöjar dessutom molekylära signaturer som definierar var och en av de tre modulerna för kretshastighet. Studien avslöjar de molekylära grunderna för neuronal mångfald och hur de relaterar till funktionen hos lokomotoriska kretsar hos vuxna zebrafiskar.
Varför är resultaten viktiga?
Genom att beskriva hur den molekylära mångfalden hos motoneuroner och interneuroner relaterar till deras funktion, konnektivitet och beteende ger studien viktiga insikter inte bara om de molekylära mekanismerna för neuronal och kretsdiversitet för lokomotorisk flexibilitet utan också för att kartlägga kretsar för motoriska handlingar i allmänhet.
– Även om kategoriseringen av muskelenheter i långsamma, intermediära och snabba typer är universell för alla ryggradsdjur, har de molekylära grunderna för motoneuronernas mångfald och deras premotoriska kretsar förblivit oklara. Vår studie fyller denna avgörande kunskapslucka och representerar ett verkligt framsteg inom området, säger Irene Pallucchi, anknuten forskare och medförfattare till artikeln.
Dessutom är det konceptuella framsteg som studien erbjuder av stort intresse för forskare inom motorisk kontroll och hjärnans kretsorganisation i allmänhet.
Hur utfördes studien?
– Vi använde encellig RNA-sekvensering, elektrofysiologi, anatomisk analys och beteendeanalys i vuxna zebrafiskar, som ger både experimentell och genetisk tillgänglighet", förklarar Maria Bertuzzi, forskningsingenjör i Abdel El Manira-gruppen, och medförfattare till artikeln.
Detta gjorde det möjligt att avslöja de molekylära och funktionella egenskaper som definierar motoneuron- och interneuronsubtyper, samt deras modulära kretsorganisation som ansvarar för att kontrollera rörelsehastigheten.
Mekanismer för växling av hastighet
Den molekylärt definierade organisationen av kretsmoduler med tre hastigheter som upptäcktes i studien fungerar som växlingsmekanismer för hastighetsförändring och kan också möjliggöra snabba riktningsförändringar. Det är dock inte känt hur de olika hastighetskretsmodulerna drivs från hjärnstammen.
– Våra framtida studier syftar till att testa hypotesen att kommandon från hjärnan kanaliseras till det spinala lokomotoriska nätverket genom distinkta kommandoströmmar som var och en företrädesvis styr var och en av hastighetskretsmodulerna", säger Abdel El Manira. "En sådan organisation skulle säkerställa en hög grad av flexibilitet och manövrerbarhet för lokomotoriska rörelser på ett uppgifts- och kontextberoende sätt."
Studien finansierades av Vetenskapsrådet, Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Hjärnfonden
Publikation
Molecular blueprints for spinal circuit modules controlling locomotor speed in zebrafish
Irene Pallucchi, Maria Bertuzzi, David Madrid, Pierre Fontanel, Shin-ichi Higashijima & Abdeljabbar El Manira
Nature Neuroscience (2023); https://doi.org/10.1038/s41593-023-01479-1