Ett team som leds av en neuroforskare från City University of Hong Kong (CityU) har identifierat en nyckelmekanism för en biologisk klocka som säkerställer att rundmaskar håller sig regelbundna genom att göra avföring med jämna mellanrum.

Avföringssteget är under tidsstyrd kontroll av en nervcell som finns i maskens huvud. Denna cell avfyrar en nervimpuls, eller utbrott av elektrisk urladdning, var 45:e sekund eller så. Varje impuls överförs omedelbart längs masken genom en nervfiber som kommer i kontakt med en nervcell i svansen. Denna cell avfyrar sedan en impuls med den nästan synkroniserade impulsen från huvudets nervcell som stimulerar de nedre tarmmusklerna att driva ut avföring.

"Den 1 millimeter långa rundmasken Caenorhabditis elegans, eller C. elegans, används som modellorganism av livsforskare över hela världen. När vildtypsmaskar är i närvaro av mycket mat äter de konstant utan att stanna men bajsa var 45:e sekund med nästan klockliknande precision. Varför och hur maskar gör det har lockat forskare att studera dess underliggande mekanismer", säger teamets medledare Dr. Liu Qiang, biträdande professor vid CityU-avdelningen för neurovetenskap. "Våra fynd löser detta 30-åriga mysterium och fördjupar vår förståelse för generering av rytmiskt beteende, såväl som sambanden mellan ett djurs nervsystem och fysiologi."

Forskningen leddes gemensamt av Dr Liu Qiang från CityU och Dr Louis Tao från Peking University. Resultaten publicerades den 19 maj 2022 i Nature Communications , under titeln "C. elegans enteriska motorneuroner avfyrar synkroniserade aktionspotentialer som ligger bakom avföringsmotorprogrammet."

Tarm-hjärna krets

C. elegans är väl studerad inom neurovetenskap och hjärnforskning, och alla 302 celler i dess nervsystem har identifierats, namngivits och fysiskt kartlagts tillsammans med alla deras nervförbindelser. De två viktiga nervceller som är involverade i att reglera tarmrörelser är AVL i huvudet och DVB i svansen.

"Forskare hade känt till att C. elegans tarmen genererar periodisk ökning av kalcium som kallas kalciumvågor i epitelcellerna, vilket orsakar frisättning av tarmneuropeptider som stimulerar AVL- och DVB-nervceller, vilket leder till avföring. Men de underliggande mekanismerna för kommunikation mellan tarmen och hjärnan var okända. Hur de två enteriska neuronerna, den ena i maskens huvud, den andra i svansen, kommunicerar med varandra över en så lång sträcka samtidigt som de bearbetar timingsignalen som tas emot från tarmen med anmärkningsvärd robusthet och noggrannhet?" säger Dr Liu. "För första gången har vi visat att AVL- och DVB-nervceller producerar allt-eller-inga spetsade impulser, eller aktionspotentialer, och denna digitala signalering låter AVL i huvudet utföra omedelbar långdistanskommunikation med DVB i svansen för att reglera utvisning av avföring."

Eftersom kalciumjoner rusar in i cellen under varje nervimpuls, undersökte forskarna AVL-till-DVB-signalering genom att använda ett speciellt mikroskop för att videomaskar som hade programmerats att lysa fluorescerande grönt i närvaro av kalcium. De observerade först en allmän våg av kalcium som rörde sig ner i tarmen. Efter cirka 3 sekunder upptäckte de nästan samtidiga kalciumspikar i AVL och DVB som varade en halv sekund och återkom ungefär en gång var 45:e sekund (se figur 1).

Kalciumspetsarna i AVL och DVB sammanföll med muskelrörelser från huvud till svans som inträffade nästan samtidigt som avföring. Av dessa fynd drar forskarna slutsatsen att även om tarmen i sig är den allmänna avföringspacemakern, styr synkroniserade AVL- och DVB-impulser den exakta timingen och koordinationen av huvud-till-svans-kropps- och tarmrörelser som behövs för utdrivningssteget.

Multitasking-handlingspotential

Direkta mätningar av spänningen över membranet hos isolerade AVL- och DVB-celler bekräftade de spetsade profilerna för deras aktionspotentialer. Närmare undersökning visade att AVL-impulsen är en ovanlig aktionspotential som består av två spikar nära varandra. Den första spiken fungerar som en positiv och snabb signal (signalökning på cirka 100 millisekunder, röd cirkel i figur 2) som fortplantar sig till DVB snabbt (i millisekunder) och kopplar på sekvensen av muskelrörelser som leder till en tarmrörelse. Den andra spiken fungerar som en negativ och långsammare signal (i sekunder, gul cirkel i figur 2) som stänger av sekvensen för att hämma ytterligare tarmrörelser och därmed förhindra överdriven utsöndring. Dessutom följs varje AVL-impuls av en långvarig negativ underskottsfas (på dussintals sekunder, grön cirkel i figur 2) som förhindrar DVB-feltändande impulser när det inte är tänkt.

"AVL-nerven i huvudet spelar den mest avgörande rollen för att reglera avföringsrytmen på flera tidsskalor", säger Dr Liu. "Den reläer inte bara utan modulerar också pacemakersignalen från tarmen genom att återställa systemet under varje avföringscykel och förhindra att nerver misslyckas mellan cyklerna, så att kroppsklockan hålls robust och exakt."

Denna studie banar väg för ytterligare forskning om kommunikation mellan tarm och hjärna och andra kroppsklocksystem som ligger till grund för repetitiva djurbeteenden. "Jag tvivlar inte på att grundläggande principer för hjärnans funktion som lärts av att studera maskar kommer att användas som en språngbräda för att få förståelse för mer komplexa hjärnor som vår," tillägger Dr Liu.