2019年XNUMX月、ミュンヘンから南西に向かう電車の中で、神経科学者は マクシミリアン・ボーテ 膝の上のクーラーを注意深く握り直した。彼の昼食は入っていませんでした。中には氷に詰められた6匹のガラガラヘビの脊髄の組織が入っていた――これは彼の新しい研究顧問への特別な届け物だった ボリス・シャニョー、アルプスの反対側に拠点を置く行動神経科学者。オーストリアのグラーツ大学の研究室で、シャグノー氏は、浮き袋を叩いて音を出すピラニアやナマズから、2枚のヒレで陸上を飛び回るトビハゼまで、珍しい動きをする水生動物の動物園を管理している。シャノー氏は、新しい移動方法がどのように進化するかを理解するために、これらの生き物の神経回路を研究および比較しており、ボーテ氏はその試みにガラガラヘビの背骨を持ち込んでいた。

動物の移動方法は、動物界そのものと同じくらい無数にあります。それらは、歩き、走り、泳ぎ、這い、飛んで、滑ります。そして、それらのそれぞれのカテゴリーの中に、膨大な数の微妙に異なる動きのタイプがあります。カモメとハチドリはどちらも翼を持っていますが、それ以外の点では、飛行技術と能力はまったく異なります。シャチとピラニアは両方とも尾を持っていますが、まったく異なる種類の泳ぎを実現します。人間が歩いたり走ったりする場合でも、根本的に異なる方法で身体を動かしています。

特定の動物が実行できる動きのテンポと種類は、生物学的ハードウェア、つまり機能が神経学的制約によって制限されている神経、筋肉、骨によって設定されます。たとえば、脊椎動物の歩行テンポは、脳からの意識的な入力なしに発火する脊椎内の回路によって設定されます。その動きのペースは、それらを制御する神経回路の特性によって決まります。

動物が新しい移動方法を進化させるには、神経回路の何かが変化する必要があります。シャニョー氏は、それがどのようにして起こるのかを正確に説明したいと考えています。

「進化においては、単に車輪を発明するだけではありません。すでに存在していた部分を取り出して、修正するのです」と彼は語った。 「多くの異なる種間で共有されるこれらの構成要素をどのように変更して、新しい動作を実現するのでしょうか?」

最近、彼のチームは、ボーテガラガラヘビを使った実験で、この疑問に対する 1 つの答えを発見しました。ボーテガラガラヘビは、1 つの細長い体の中に 2 つの異なる運動テンポが組み込まれている生物です。

彼らの結果、 に発表され 現在の生物学 1月に、カリウムイオンチャネルという単一のタンパク質をいじることで、ヘビのガタガタする尾からの速発性の運動ニューロンが、波打つ胴体の鈍い運動ニューロンのように振る舞う、あるいはその逆になる可能性があることを1月に特定した。この発見は、動物の生理機能に対する一見わずかな変化が、神経系からの同じ指令を異なる動き方に変換できることを示す証拠である。

「この研究で私が特にユニークで興味深いと思ったのは、同じ動物内で 2 つのまったく異なる働きを持つ運動ニューロンに焦点を当てたということです」と神経科学者は語った。 マーサ・バグナル セントルイスのワシントン大学の博士号を取得したが、この研究には関与していなかった。 「同じ動物の中でそれらを観察することで、本当に素晴らしく厳密な比較ができました。」

この発見は、生命の樹全体の動物が新しい行動を進化させる方法を示しています。生物学的機構の適切な部分 (この場合は特定のイオン チャネル) を微調整すると、スピーカーのボリューム ダイヤルをひねるのと同じように、パフォーマンスが大幅に変化する可能性があります。 Evolution は、マシン全体を作り直すのではなく、まずコントロールに作用します。

「非常にクリーンな結果だった」と語った。 ポール・カッツマサチューセッツ大学アマースト校の行動神経科学者である彼も、この研究には関与していませんでした。 「そして、ガラガラヘビはクールです。」

止めねじ

シャニョーさんはガラガラヘビそのものには興味がない。 「興味深い生物学的疑問を見たところです」と彼は言いました。 「私は科学の日和見主義者です。」

彼のチームは、行動の進化論と呼ばれるものを明らかにすると考えられる生物を研究しています。 シュテルシュラウベン。 ドイツ語は文字通り「設定ネジ」を意味しますが、これは厄介な翻訳です。Stellschrauben は、より大きな機械の設定を調整する小さな制御装置です。機械が神経系であり、設定が直接的な行動であるとすれば、シュテルシュラウベンは生物学的なスイッチ、トリガー、ノブであり、ほんの少し調整するだけで、動物の行動を進化に影響を与えるほど劇的に変えることができます。

ガラガラヘビは、生物学が単一の動物の速度設定をどのように変化させるかを理解する機会を提供します。このような問題に興味のある研究者は、対照的な行動を持つ異なる種を比較する必要があることがよくあります。たとえば、カモメとハチドリはどちらも飛行しますが、異なる速度で異なる動きをします。ただし、その場合、2 つの種間の多くの生物学的違いのどれが 1 つの運動行動の変化を支えているのかを突き止めるのは困難です。ガラガラヘビのゆっくりとした滑りと素早いガタガタ音を比較することで、リンゴとオレンジ、またはアンチョビとシャチを比較する問題を回避できます。

ガラガラヘビには 1 つの体で 2 つの移動方法があるという洞察が、ボーテがヘビの棘でいっぱいのクーラーボックスを持ってミュンヘンからグラーツまでの電車に座っていた理由です。

グラーツに戻った彼は、ゼラチンの一種である寒天にガラガラヘビの脊髄組織を埋め込み、顕微鏡用にカミソリのように薄いスライスを作成しました。視覚的には、ヘビのガラガラ音と体の運動ニューロンはまったく同じに見えました。しかし、ボーテが電極を使用して電気的特性をテストしたところ、顕著な違いが発見されました。

ニューロンは、細胞膜に埋め込まれたポンプやチャネルを使用して電気活動を変化させ、カリウムやナトリウムなどの荷電イオンの流れを制御します。安静時、ニューロンはその内部を外部環境よりも負に帯電させ、約-70ミリボルトの静止膜電圧を維持します。次に、他のニューロンからの信号がこの膜電圧を上昇させると、細胞が「発火」し、イオンチャネルの水門が開き、陽イオンが内部に流入できるようになり、急速な電圧スパイクが発生します。

活動電位と呼ばれるこの電圧スパイクは、ニューロンの細胞膜に沿って勢いよく進み、ニューロンと別の細胞の間の境界面であるシナプスに到達し、そこで神経伝達物質と呼ばれるメッセンジャー化学物質の放出を引き起こします。運動ニューロンと筋肉の場合、神経伝達物質アセチルコリンの放出が筋肉に収縮を指示します。

両博士は、電圧閾値に達してヘビの体内運動ニューロンをトリガーするのに必要な電流が「ガラガラ運動ニューロンよりもはるかに低い」ことを発見したと述べた。 「[ガラガラ]ニューロンが発火するには、より多くの電流を流す必要があります。」そして、ガラガラ運動ニューロンと比較して、体の運動ニューロンはよりゆっくりと反応しました。

ラトルニューロンは大きく明白な信号に反応してのみ発火するため、神経学的バックグラウンドノイズの弱い変動によって誤発火する可能性は低くなります。飛び跳ねが少なく、より正確であるため、より高い周波数の信号を中継することができます。

ガラガラ運動ニューロンと体の運動ニューロンの違いを特定したので、次のステップはそれを制御するシュテルシュラウベンを見つけることでした。

試行錯誤

ニューロンは機械ではなく細胞です。つまり、ニューロンは複雑な生物学的複雑性を持っています。ボーテとシャグノーが探していた、運動ニューロンの電気的特性を制御する「ネジ」は、膜タンパク質の構造の微妙な微調整から、まったく異なるイオンポンプとチャネルのセットの発現まで、何でもあり得る。それでも、研究者らがシュテルシュラウベンにはカリウムイオンチャネルが関与すると考える十分な理由があった。ニューロンに関するこれまでの研究では、これらのチャネルがニューロンの精度を調整するために重要であることが確立されていましたが、特に運動ニューロンの動作の調整におけるそれらの役割は不明でした。

「進化に利用できる特定のツールキットがあるとします」とボーテ氏は言う。 「おそらく、ここでは同じイオンチャネルがあるのでしょう。」

正確なチャンネルを見つけるには何年もの試行錯誤が必要でした。体細胞とガラガラ細胞がカリウムチャネルの遺伝子をどのように発現するかを比較しても、大きな違いは見られませんでした。そこでシャニョーとボーテは、特定の種類のチャネルをブロックするように設計された薬の効果をテストすることで前進しました。最後に、彼らは、遮断されると異なる移動速度を生成するチャネルを発見しました。それは、KV7 と呼ばれるカリウムチャネルです。_2/3.

その後、両氏はチャネルの活動を強化したり阻害したりする薬剤を使用して、より正確な実験を行った。彼がガラガラ運動ニューロンのチャネルを制限すると、あたかも体の運動ニューロンであるかのように、発火がより遅く不正確になりました。次に、カリウムイオンチャネルを強化すると、逆の効果が観察されました。身体の運動ニューロンが、ガラガラ運動ニューロンのように、素早く正確に発火したのです。

あたかもこのイオンチャネルが、あるニューロンタイプを別のニューロンタイプにねじることができるダイヤルであるかのようでした。しかし、ヘビの体内のこのタンパク質とガラガラの実際の違いは何でしょうか？

研究者らは当初、ガラガラ運動ニューロンには余分なKV7が必要だと考えていた。_2/3 カリウムチャネル。科学者らは、ガラガラニューロンがより多くのチャネルを持っていれば、より速くイオンを放出し、電圧を下げてチャネルが再びすぐに発火できるように準備できると考えた。

それを調べるために、ボーテとシャグノーは両方のタイプのガラガラヘビの運動ニューロンから RNA を抽出して配列し、そのデータを ジェイソン・ギャラントミシガン州立大学の進化生物学者である彼は、KV7 の発現を比較することができました。_2/3 7 つの組織間の遺伝子のチャネル。 KVXNUMXの遺伝子_2/3 チャネルは動物の体のすべての細胞で同じですが、ガラガラニューロンがより多くのKV7を持っていた場合_2/3 研究者らは、その組織でより高い遺伝子発現が見られると予想しています。

残念ながら、彼らの単純な説明は証明されませんでした。 「これらのカリウムチャネルの遺伝子発現レベルには実際には違いがありません。これは残念でした」とギャラント氏は語った。 「しかし、それによって生物学に対するより現実的な見方が開かれると思います。」

遺伝子発現の変化は、ガラガラヘビの運動ニューロンの進化のネジがどのように調整されるかを説明するための簡単で開閉的な方法を提供したであろう。しかし、生物学は別の可能性を提供します。 Chagnaud と Bothe は、チャネルタンパク質が遺伝子設計図から構築された後、イオンを異なる方法で管理するわずかに異なる形態に修飾できるのではないかと推測しました。詳細を特定するには、つまり制御を調整する制御を見つけるには、さらなる研究が必要です。

カッツ氏としては、この結果が残念だとは全く思っていなかった。 「つまり、遺伝子発現[の変化]は見られなかったのです。それが彼らが期待していた答えだった」と彼は語った。 「しかし、実際のところ、それは素晴らしい結果です。」

カッツ氏によると、研究者らは何十年もの間、運動回路は「使用されるとおりに存在する」と考えてきたという。つまり、歩いたり泳いだりといった行動を開始するには、正しい回路をオンにするだけで済むということだ。この観点からすると、新しい動作を進化させるには、まったく新しい回路レイアウトが必要になります。しかし、これほど多様な生物の研究では、 甲殻類, ウミウシ そして今ではヘビの可能性があることを研究者らは発見している。 神経調節物質との相互作用 および他の化学物質は、回路が引き起こす活動を調節し、同じ細胞ネットワークが著しく異なる動作を引き起こす可能性があります。

カッツ氏によると、この新しい研究は、この可塑性を利用して遊ぶことで、新しい運動行動が進化する可能性があることを示唆しているという。おそらく、ガラガラと体の挙動の違いは、イオンチャネル自体の構造や発現ではなく、細胞の化学的環境の微妙な違いに関係しているのかもしれません。

「進化上の多くの変更の主な目標は、動物を壊さないことですよね?」バグナル氏は語った。 「オン/オフのスイッチにならずに特性を調整するためにできることはすべて、深刻な悪影響を与えることなく変化を推進する強力な手段です。」

回転とチューニング

この新しい研究は、単一のタンパク質を微調整することで、大きく異なる行動に合わせて運動ニューロンを調整できることを示しています。しかし、運動ニューロンは運動パズルの 1 ピースにすぎません。これらは、中枢パターン発生器として知られる中枢神経系の回路から始まる連鎖の最後のリンクであり、歩行や水泳に関係するリズミカルなパターンを生成します。これらの上流回路は、ゼブラフィッシュなどの他の生物ではよく理解されています。ガラガラヘビの場合、それを理解することが論理的な次のステップとなるでしょう。

カッツ氏は、「最大のミッシングリンクは、ガラガラ音の周波数をどのように作り出すかということだ」と語った。それはどこから来たのですか？

シャグノー氏は、同様のシュテルシュラウベが、咬傷が懸念される別の種の運動ニューロンを調整しているかどうかを知りたいと考えている。ガラガラヘビのように、ピラニアは、まったく異なる周波数で 140 つのリズミカルな動きを実行します。XNUMX 秒あたり最大 XNUMX サイクルの頻度で泳ぐことと、XNUMX 秒あたり最大 XNUMX サイクルの頻度で浮き袋を振動させて、吠え声、イップス、鳴き声などのような音を出します。ドラムビート。ただし、ガラガラヘビとは異なり、ピラニアは背骨の同じ部分を使用して両方の動きを制御します。

「知りたいんだけど、KV7になるのかな？」_2/3?私たちには分かりません」とシャグノー氏は語った。 「進化論は同じ問題に対して同じ解決策を見つけたのだろうか?」

彼は疑問を抱いている。同様のメカニズムが見つかることを期待しているが、ガラガラヘビでの驚くべき、そして時にはもどかしい発見は「目を見張るものでした」と同氏は言う。エボリューションは、目標を念頭に置いた人間のデザイナーではありません。その手法は神秘的であり、ツールボックスは膨大です。 「そして、回すことができるネジは非常に異なっています。」