In maart 2019, in een trein vanuit München naar het zuidwesten, de neurowetenschapper Maximiliaan Bothe verstelde zijn voorzichtige greep op de koelbox op zijn schoot. Zijn lunch zat er niet in. Binnenin zat weefsel van een half dozijn ruggenmerg van ratelslangen, verpakt in ijs – een speciale levering voor zijn nieuwe onderzoeksadviseur Boris Chagnaud, een gedragsneurowetenschapper gevestigd aan de andere kant van de Alpen. In zijn laboratorium aan de Universiteit van Graz in Oostenrijk onderhoudt Chagnaud een menagerie van waterdieren die op ongebruikelijke manieren bewegen – van piranha's en meervallen die luchtblazen trommelen om geluid te produceren tot modderspringers die met twee vinnen over het land rondhuppelen. Chagnaud bestudeert en vergelijkt de neuronale circuits van deze wezens om te begrijpen hoe nieuwe manieren van bewegen zouden kunnen evolueren, en Bothe bracht zijn ratelslangstekels mee om mee te doen.

De manieren waarop dieren bewegen zijn ongeveer net zo ontelbaar als het dierenrijk zelf. Ze lopen, rennen, zwemmen, kruipen, vliegen en glijden – en binnen elk van deze categorieën ligt een enorm aantal subtiel verschillende bewegingstypes. Een zeemeeuw en een kolibrie hebben allebei vleugels, maar verder liggen hun vliegtechnieken en -capaciteiten mijlenver uit elkaar. Orka's en piranha's hebben beide een staart, maar ze kunnen op heel verschillende manieren zwemmen. Zelfs een mens die loopt of rent, beweegt zijn lichaam op fundamenteel verschillende manieren.

Het tempo en het soort bewegingen dat een bepaald dier kan uitvoeren, wordt bepaald door biologische hardware: zenuwen, spieren en botten waarvan de functies gebonden zijn aan neurologische beperkingen. Het looptempo van gewervelde dieren wordt bijvoorbeeld bepaald door circuits in hun ruggengraat die vuren zonder enige bewuste input van de hersenen. Het tempo van die beweging wordt bepaald door de eigenschappen van de neuronale circuits die ze besturen.

Als een dier een nieuwe manier van bewegen wil ontwikkelen, moet er iets in zijn neurologische circuit veranderen. Hoe dat precies gebeurt, wil Chagnaud beschrijven.

“In de evolutie vind je niet alleen het wiel uit. Je neemt stukken die er al waren, en je past ze aan”, zei hij. "Hoe pas je de componenten aan die door veel verschillende soorten worden gedeeld om nieuw gedrag te creëren?"

Onlangs vond zijn team een ​​antwoord op deze vraag in hun experimenten met Bothe's ratelslangen - een organisme met twee verschillende bewegingstempo's ingebouwd in één lang, slank lichaam.

hun resultaten, gepubliceerd Current Biology in januari identificeerde hoe het sleutelen aan een enkel eiwit – een kaliumionkanaal – ervoor zou kunnen zorgen dat snelvurende motorneuronen uit de ratelende staart van een slang zich meer gaan gedragen als de trage motorneuronen uit zijn golvende lichaam, en vice versa. De bevinding is een bewijs dat ogenschijnlijk kleine veranderingen in de fysiologie van een dier hetzelfde commando van het zenuwstelsel kunnen vertalen in verschillende manieren van bewegen.

“Wat ik bijzonder uniek en interessant vond aan dit onderzoek, is dat ze zich concentreerden op motorneuronen met twee heel verschillende taken, maar binnen hetzelfde dier”, aldus de neurowetenschapper. Martha Bagnall van de Washington University in St. Louis, die niet bij het werk betrokken was. "Door ze in één dier te bekijken, kregen ze een heel mooie, strakke vergelijking."

De bevinding wijst op een manier waarop dieren in de levensboom nieuw gedrag kunnen ontwikkelen. Het aanpassen van het juiste stuk biologische machinerie – in dit geval een specifiek ionkanaal – kan de prestaties drastisch veranderen, net zoals het draaien van de volumeknop op een luidspreker. Evolutie kan als eerste ingrijpen op de besturing, in plaats van de hele machine te herwerken.

“Het was een heel schoon resultaat”, zei hij Paul Katz, een gedragsneurowetenschapper aan de Universiteit van Massachusetts, Amherst, die ook niet bij het werk betrokken was. “En weet je, ratelslangen – ze zijn cool.”

Schroeven instellen

Chagnaud is niet per se geïnteresseerd in ratelslangen. ‘Ik zag zojuist een interessante biologische vraag,’ zei hij. “Ik ben een wetenschapsopportunist.”

Zijn team bestudeert organismen waarvan zij denken dat ze zullen onthullen wat zij evolutionair gedrag noemen Stellschrauben. Het Duitse woord betekent letterlijk 'stelschroeven', hoewel dat een lastige vertaling is: Stellschrauben zijn de kleine bedieningselementen die de instellingen van een grotere machine aanpassen. Als de machine het zenuwstelsel is en de instellingen direct gedrag zijn, zijn de Stellschrauben de biologische schakelaars, triggers en knoppen die, met slechts een kleine aanpassing, het gedrag van een dier dramatisch genoeg veranderen om evolutionaire gevolgen te hebben.

Ratelslangen bieden een kans om te begrijpen hoe de biologie de snelheidsinstellingen van een enkel dier verandert. Onderzoekers die geïnteresseerd zijn in dergelijke vragen moeten vaak verschillende soorten met contrasterend gedrag vergelijken – bijvoorbeeld een zeemeeuw en een kolibrie, die beide vliegen, maar met verschillende bewegingen en met verschillende snelheden. In dat geval is het echter moeilijk vast te stellen welke van de vele biologische verschillen tussen de twee soorten ten grondslag liggen aan de variatie in een enkel bewegingsgedrag. Door het langzaam glijden van een ratelslang te vergelijken met het snelle ratelen, wordt het probleem vermeden van het vergelijken van appels met peren, of van ansjovis met orka's.

Dat inzicht – dat ratelslangen twee manieren hebben om zich in één lichaam te bewegen – is de reden dat Bothe in de trein van München naar Graz zat met een koelbox vol slangenstekels.

Terug in Graz plaatste hij het ruggenmergweefsel van de ratelslang in agar, een soort gelatine, en maakte er flinterdunne plakjes van voor microscopie. Visueel leken de motorneuronen van de rammelaar en het lichaam van de slang precies hetzelfde. Maar toen Bothe een elektrode gebruikte om hun elektrische eigenschappen te testen, ontdekte hij opvallende verschillen.

Neuronen veranderen hun elektrische activiteit met behulp van pompen en kanalen ingebed in hun celmembranen om de stroom van geladen ionen zoals kalium en natrium te controleren. In rust houden neuronen hun binnenkant negatiever geladen dan hun buitenomgeving, waarbij ze een rustmembraanspanning van ongeveer −70 millivolt handhaven. Wanneer signalen van andere neuronen vervolgens deze membraanspanning verhogen, ‘vuurt’ de cel – hij zet de sluizen van zijn ionenkanalen open en laat positieve ionen naar binnen stromen, waardoor een snelle spanningspiek ontstaat.

Deze spanningspiek, een actiepotentiaal genoemd, zoeft langs het celmembraan van het neuron totdat het een synaps bereikt, het grensvlak tussen een neuron en een andere cel, waar het de afgifte van boodschapperchemicaliën, neurotransmitters genaamd, teweegbrengt. In het geval van motorneuronen en een spier zorgt het vrijkomen van de neurotransmitter acetylcholine ervoor dat de spier samentrekt.

Bothe ontdekte dat de elektrische stroom die nodig is om de spanningsdrempel te bereiken en het motorneuron van het slangenlichaam te activeren “veel lager was dan voor de ratelende motorneuronen”, zei hij. “Je moet veel meer stroom in het [ratel]neuron stoppen voordat het kan vuren.” En vergeleken met ratelende motorneuronen reageerden de motorneuronen in het lichaam trager.

Omdat rammelende neuronen alleen vuren als reactie op grote, voor de hand liggende signalen, is de kans kleiner dat ze mislukken vanwege zwakke fluctuaties in het neurologische achtergrondgeluid. Ze zijn minder springerig en nauwkeuriger, waardoor ze signalen met een hogere frequentie kunnen doorgeven.

Nadat we dit verschil tussen rammelaar- en lichaamsmotorneuronen hadden geïdentificeerd, was de volgende stap het vinden van de Stellschrauben die dit controleren.

Trial and Error

Neuronen zijn cellen en geen machines, wat betekent dat ze een rommelige biologische complexiteit hebben. De 'schroef' waar Bothe en Chagnaud naar op zoek waren en die de elektrische eigenschappen van het motorneuron regelde, kon van alles zijn, van een subtiele aanpassing in de structuur van een membraaneiwit tot de expressie van een geheel andere reeks ionenpompen en -kanalen. Toch hadden de onderzoekers goede redenen om te denken dat bij hun Stellschrauben een kaliumionenkanaal betrokken zou zijn. Eerdere onderzoeken naar neuronen hadden aangetoond dat deze kanalen belangrijk zijn voor het afstemmen van de precisie van neuronen, maar hun rol bij het aanpassen van het gedrag van motorneuronen was specifiek onduidelijk.

“Er is een bepaalde toolkit, laten we zeggen, die beschikbaar is voor de evolutie,” zei Bothe. ‘Dus misschien zijn het hier dezelfde ionkanalen.’

Het vinden van het exacte kanaal kostte jaren van vallen en opstaan. Een vergelijking van de manier waarop lichaams- en ratelcellen genen voor kaliumkanalen tot expressie brachten bracht geen significante verschillen aan het licht. Dus gingen Chagnaud en Bothe verder met het testen van de effecten van medicijnen die zijn ontworpen om specifieke soorten kanalen te blokkeren. Uiteindelijk vonden ze een kanaal dat, wanneer geblokkeerd, verschillende bewegingssnelheden genereerde: een kaliumkanaal genaamd KV7_2/3.

Bothe voerde vervolgens nauwkeurigere experimenten uit, waarbij hij medicijnen gebruikte om de activiteit van het kanaal te versterken of te belemmeren. Toen hij het kanaal van ratelende motorneuronen beperkte, vuurden ze trager en onnauwkeuriger, alsof het lichaamsmotorneuronen waren. Toen hij vervolgens het kaliumionenkanaal versterkte, observeerde hij het tegenovergestelde effect: motorneuronen in het lichaam schoten snel en nauwkeurig, zoals ratelende motorneuronen.

Het was alsof dit ionenkanaal een draaiknop was die het ene neurontype in het andere kon draaien. Maar wat was er eigenlijk anders aan dit eiwit in het lichaam en de rammelaar van de slang?

In eerste instantie dachten de onderzoekers dat ratelmotorneuronen extra KV7 moesten hebben_2/3 kalium kanalen. Als de ratelende neuronen meer kanalen zouden hebben, dachten de wetenschappers, dan zouden ze ionen sneller kunnen ontladen, waardoor de spanning weer zou dalen om de kanalen voor te bereiden om snel weer te vuren.

Om hierachter te komen, hebben Bothe en Chagnaud RNA uit beide typen ratelslangmotorneuronen geëxtraheerd en gesequenced en de gegevens naar Jason Galant, een evolutiebioloog aan de Michigan State University, zodat hij de expressie van de KV7 kon vergelijken_2/3 kanaalgen tussen de twee weefsels. Het gen voor KV7_2/3 kanalen is hetzelfde in elke cel van het lichaam van het dier – maar als de ratelende neuronen meer KV7 hadden_2/3 kanalen zouden de onderzoekers een hogere genexpressie in dat weefsel verwachten.

Helaas is hun eenvoudige verklaring niet bewezen. "Er is echt geen verschil in het niveau van genexpressie in deze kaliumkanalen, wat teleurstellend was," zei Gallant. “Maar ik denk dat het een realistischer kijk op de biologie opent.”

Variaties in de expressie van het gen zouden een eenvoudige, open en gesloten manier hebben opgeleverd om uit te leggen hoe de evolutionaire schroeven op motorneuronen van ratelslangen worden aangepast. Maar de biologie biedt andere mogelijkheden. Chagnaud en Bothe speculeerden dat nadat de kanaaleiwitten zijn geconstrueerd op basis van de genetische blauwdruk, ze kunnen worden gewijzigd in iets andere vormen die ionen op een andere manier beheren. Er zal meer onderzoek nodig zijn om de details vast te stellen – om de controle te vinden die de controle aanpast.

Van zijn kant vond Katz het resultaat helemaal niet teleurstellend. “Ze zagen dus geen [verandering in] genexpressie. Dat was het antwoord dat ze verwachtten”, zei hij. “Maar feit is dat dat een cool resultaat is.”

Tientallen jaren lang hebben onderzoekers aangenomen dat motorcircuits ‘bestaan ​​zoals ze zullen worden gebruikt’, zei Katz – wat betekent dat het initiëren van gedrag als lopen of zwemmen eenvoudigweg een kwestie is van het inschakelen van het juiste circuit. In deze visie zou het ontwikkelen van nieuw gedrag een geheel nieuwe circuitindeling vereisen. Maar in studies van organismen zo divers als schaaldieren, zeeslakken en nu mogelijk slangen, ontdekken onderzoekers interacties met neuromodulatoren en andere chemicaliën kunnen de activiteit moduleren die een circuit oproept, waardoor dezelfde netwerken van cellen aanzienlijk verschillend gedrag kunnen produceren.

De nieuwe studie, zei Katz, geeft aan dat spelen met deze plasticiteit een manier zou kunnen zijn waarop nieuw bewegingsgedrag evolueert. Misschien heeft het verschil tussen ratel- en lichaamsgedrag iets te maken met subtiele verschillen in de chemische omgeving van hun cellen, en niet met de structuur of expressie van het ionenkanaal zelf.

“Bij veel evolutionaire aanpassingen is het je voornaamste doel om het dier niet kapot te maken, toch?” zei Bagnall. “Alles wat je kunt doen om eigenschappen af ​​te stemmen zonder een aan/uit-schakelaar te worden, is een krachtig middel om verandering te bewerkstelligen zonder zeer schadelijk te zijn.”

Draaien en afstemmen

Deze nieuwe studie laat zien dat het mogelijk is om motorneuronen af ​​te stemmen op enorm verschillend gedrag door één enkel eiwit aan te passen. Maar motorneuronen zijn slechts een stukje van de bewegingspuzzel. Ze vormen de laatste schakel in een keten die begint met circuits in het centrale zenuwstelsel die bekend staan ​​als centrale patroongeneratoren en die de ritmische patronen genereren die betrokken zijn bij lopen of zwemmen. Deze stroomopwaartse circuits worden beter begrepen in andere organismen, zoals zebravissen. Bij ratelslangen zou het uitpuzzelen ervan een logische volgende stap zijn.

‘De belangrijkste ontbrekende schakel,’ zei Katz, ‘is: hoe creëer je de frequentie voor de rammelaar? Waar komt dat vandaan?”

Chagnaud wil graag weten of een vergelijkbare Stellschraube motorneuronen afstemt op een andere soort die gevreesd wordt om zijn beet. Net als ratelslangen voeren piranha's twee ritmische bewegingen uit met radicaal verschillende frequenties: zwemmen, met een frequentie van maximaal zes cycli per seconde, en het laten trillen van hun zwemblaas met frequenties tot 140 cycli per seconde om geluiden te maken die klinken als blaffen, piepen en tromgeroffel. In tegenstelling tot ratelslangen gebruiken piranha's echter hetzelfde deel van hun ruggengraat om beide bewegingstypes te besturen.

“Ik ben benieuwd of het KV7 wordt_2/3? We hebben geen idee”, zei Chagnaud. “Heeft de evolutie dezelfde oplossing gevonden voor hetzelfde probleem?”

Hij heeft zijn twijfels. Hoewel hij hoopvol is over het vinden van een soortgelijk mechanisme, was de verrassende – en soms frustrerende – ontdekking bij ratelslangen “een eye-opener”, zei hij. Evolutie is geen menselijke ontwerper met een doel voor ogen. De methoden ervan zijn mysterieus en de gereedschapskist is enorm. “En je hebt heel verschillende schroeven waar je aan kunt draaien.”