Warum wir vor Angst wie betäubt sind: Die Wirkung von Serotonin auf die Fortbewegung

"Bewegung ist Leben", sagte das Dach und ging. Dieser Witz ist ziemlich "bärtig", aber wie bei jedem Witz hat er auch etwas Wahres. In der Tat haben die meisten Tiere auf dem Planeten wirklich die Fähigkeit, sich zu bewegen. In unserer Kultur gibt es sogar eine Reihe von Metaphern, Wendungen und Wendungen, die mit Tieren und ihren Bewegungen verbunden sind: so schnell wie ein Gepard; langsam wie eine Schildkröte; anmutig, wie ein Damhirschkuh usw. Die Fortbewegung (d. H. Die Bewegung) und ihre individuellen Aspekte in einem Lebewesen werden von bestimmten Körpersystemen gesteuert, vom Bewegungsapparat bis zum Zentralnervensystem. Aber es gibt Bewegungen, die Wissenschaftler bisher keinem bestimmten Regulator zuordnen konnten. Dazu gehört das Verblassen vor Angst. Eine Gruppe von Forschern der Columbia University fand heraus, dass das uns allen bekannte Serotonin für das „Taubheitsgefühl“ verantwortlich ist. Wie kamen Wissenschaftler zu diesem Schluss, warum nahmen Drosophila-Fliegen an den Experimenten teil und welche Details wurden herausgefunden? Dies erfahren wir aus dem Bericht der Forschergruppe. Lass uns gehen.

Studienbasis

Und auch hier wird die Frucht der Fliege bzw. die Drosophila vulgaris (Drosophila melanogaster) zur Hauptfigur der Studie. Dies liegt an der Tatsache, dass dieses scheinbar unauffällige Wesen sozusagen eine Reihe einzigartiger Fähigkeiten besitzt, die von Wissenschaftlern und Forschern sehr geschätzt werden.


Drosophila ist auch ideal für das Studium der Fortbewegung. Die Fruchtfliege hat, wie viele andere Insekten, ein ziemlich breites Bewegungsspektrum, das sie je nach den Umständen ausführt. Es fällt ihr nicht schwer, sich auf schwierigen Oberflächen zu bewegen, auch wenn sie kopfüber an der Decke steht. Damit solche Ausgleichsskizzen möglich sind, muss das Insekt sowohl die Bewegungsgeschwindigkeit als auch andere kinematische Parameter regulieren.

In Fragen der Fortbewegung zwischen Insekten und Wirbeltieren, die Gliedmaßen haben, gibt es Gemeinsamkeiten. Eines dieser Merkmale ist die Verwendung von mehrgelenkigen Beinen / Füßen.

Drosophila steuert seinen komplexen Gang durch die Nervenketten in der Abdominalnervenkette (im Folgenden VNC), die ein Funktionsanalogon des Rückenmarks der Wirbelsäule ist. VNC umfasst drei Paare von Thoraxneuromeren (T1, T2 und T3), die die Bewegungen der drei entsprechenden Beinpaare koordinieren. Das VNC empfängt Befehle vom Gehirn und überträgt Motoranweisungen über Motoneuronen an die peripheren Muskeln.

Sensorische Neuronen, die propriozeptive * und taktile Informationen übertragen, projizieren Axone aus den Gliedmaßen auf den gleichen fibrösen Wegen in den VNC, wo sie sich entlang der Neuropil * -Pfoten trennen ( 1A ).

Propriozeption * - ein Gefühl der eigenen Muskeln, dh das Bewusstsein der Position der Körperteile relativ zueinander und relativ zum umgebenden Raum.

Neuropil * - Ansammlung von Prozessen der Nervenzellen.

Bild Nr. 1: Neuromodulatoren im Zentralnervensystem von Drosophila.

Eine merkwürdige und etwas gruselige Tatsache - VNC ist in der Lage, selbst bei enthaupteten Tieren koordinierte Bewegungen der Gliedmaßen auszuführen.

Zusammenfassend kann daher angenommen werden, dass der VNC neuronale Netze enthält, die die Flexion und Extension jedes Gelenks jedes Beines der Fliege sowie den Gang selbst koordinieren können.

Es wurde zuvor herausgefunden, dass für eine schnelle und stabile Fortbewegung sensorische Daten, die von den Pfoten kommen, äußerst notwendig sind. Es kann jedoch nicht behauptet werden, dass dies der einzige Regulator ist, da das koordinierte Gehen auch bei Entfernung propriozeptiver Rezeptoren oder Schädigung der Gliedmaßen nicht gestört wird. Daher gibt es noch etwas, das dies regelt. Aber was?

Wissenschaftler glauben, dass diese versteckten Regulatoren neuromodulierende Systeme sein könnten, zu denen Dopamin, Noradrenalin und Serotonin gehören.

Neurotransmitter * - eine Substanz, mit der ein elektrochemischer Impuls einer Nervenzelle zwischen Neuronen sowie ein Impuls von Neuronen auf Muskelgewebe oder Drüsenzellen übertragen wird.

Dopamin * ist ein Neurotransmitter, der in der Regel mit einem Gefühl der Befriedigung und Liebe sowie mit kognitiven Funktionen (Umschalten der Aufmerksamkeit von einem Stadium der kognitiven Aktivität auf ein anderes) verbunden ist. Die Parkinson-Krankheit bezieht sich auf Erkrankungen des Menschen, die mit einem dopaminergen Mangel verbunden sind.

Norepinephrin * ist ein Neurotransmitter, der häufig mit Wachheit in Verbindung gebracht wird. Im menschlichen Körper ist es an der Regulierung des Blutdrucks und des peripheren Gefäßwiderstands beteiligt. Norepinephrin ist auch an der „hit or run“ -Reaktion beteiligt, wenn der Körper in Gefahr ist.

Serotonin * ist ein inhibitorischer Neurotransmitter, d.h. Dopamin-Antipode (aktivierender Neurotransmitter). Serotonin bewirkt eine Kontraktion der glatten Muskulatur, fördert die Motorik und reguliert den Gefäßtonus. Auch Serotonin wird oft als "Hormon des Glücks" bezeichnet, was eine ziemlich grobe und ungenaue Aussage ist.

Es ist anzumerken, dass dieselben neuromodulierenden Systeme bei verschiedenen Tierarten sehr ähnliche Funktionen ausführen. Zum Beispiel verlangsamt Serotonin den motorischen Rhythmus bei Neunaugen, Katzen und Heuschrecken (das ungewöhnlichste Trio, das ich je gesehen habe). Eine Studie mit Drosophila hat gezeigt, dass ihre Monoamin-Neurotransmitter * auch ein breites Spektrum von Verhaltensweisen modulieren.

Monoamin-Neurotransmitter * sind Neurotransmitter und Neuromodulatoren mit einer Aminogruppe, die über eine Kette von zwei Kohlenstoffatomen an den aromatischen Ring (-CH2-CH2-) gebunden ist.

Es wurde festgestellt, dass Serotonin die Abnahme der Gehgeschwindigkeit beeinflusst, den Schlaf, die Aggression und das motorische Verhalten im Zusammenhang mit Angstzuständen moduliert. Im Gegensatz dazu ist Dopamin mit Hyperaktivität verbunden. Ein weiterer interessanter Neurotransmitter ist Octopamin, von dem gezeigt wurde, dass es die durch Hunger verursachte Hyperaktivität beeinflusst. In Abwesenheit von Octopamin bewegten sich die Tiere langsamer.

Wie wir sehen, ist das einfache Kriechen einer Fruchtfliege an Wänden oder Decken mit vielen komplexen neurochemischen Prozessen verbunden, die die Wissenschaftler genauer untersuchen wollten.

Forschungsergebnisse

Um neuromodulierende Neuronen zu identifizieren, die eine Rolle bei der Modulation des Gehverhaltens spielen können, verwendeten die Wissenschaftler die Expression eines fluoreszierenden Reporters * mit Gal4 unter der Kontrolle von Promotoren * , die für jedes neuromodulierende System synthetische Schlüsselenzyme codieren:

• Tryptophanhydroxylase (Trh) für Serotonin (5-HT);
• Tyrosinhydroxylase (TH oder ple) für Dopamin;
• Tyrosindecarboxylase 2 (Tdc2) für Octopamin und Tyramin.

Reporter * sind Gene, die an die regulatorischen Sequenzen anderer Gene anknüpfen, um die Manifestationen von Genen in Zellkulturen zu untersuchen.

Der Promotor * ist eine DNA-Nukleotidsequenz, die eine wichtige Rolle bei der Initiierung der Transkription spielt (RNA-Synthese, wobei DNA als Matrize fungiert).

Alle diese Mediatoren zeigen eine ausgedehnte Expression sowohl in VNC- als auch in Gehirnzellen.

Die Wissenschaftler überprüften ferner, ob die Pfotenneuronen durch * neuromodulatorische VNCs oder vom Gehirn stammende absteigende Neuronen innerviert sind ( 1A ).

Innervation * - Versorgung von Organen und Geweben mit Nerven, die deren Verbindung mit dem Zentralnervensystem sicherstellt.

Experimente haben gezeigt, dass die neuromodulierende Innervation der Neuropil-Pfoten fast ausschließlich von * VNC- Interneuronen und nicht von absteigenden Neuronen im Gehirn ausgeht ( 1B - 1G ).

Interneuron * (ein intermediäres Neuron) ist ein Neuron, das nur mit anderen Neuronen verbunden ist.

Daher können die neuromodulatorischen Neuronen des VNC die Fortbewegung theoretisch beeinflussen.Im nächsten Stadium der Studie überprüften die Wissenschaftler, ob im VNC genügend neuromodulierende Neuronen vorhanden sind, um das Gehverhalten zu modulieren. Diese Neuronen wurden optogenetisch aktiviert, und die Gehgeschwindigkeit wurde unter Verwendung einer Flywalker-Verhaltensanalyse gemessen.

Die Analyse zeigte, dass die Aktivierung von ausschließlich serotonergen VNC-Populationen (d. H. Ohne Aktivierung von dopaminergen oder octopaminergen / tyraminergen) die durchschnittliche Geschwindigkeit von Mücken ( 1H ) signifikant verringerte. Basierend auf dieser Beobachtung beschlossen die Wissenschaftler, ihre gesamte Aufmerksamkeit nur auf serotonerge Neuronen (5-HT ^VNC ) zu ^richten .

Um die Theorie von Serotonin zu bestätigen und den Einfluss anderer Neurotransmitter auszuschließen, wurde eine Immunfärbung an Markern von Serotonin (5-HT), Dopamin (TH), Octopamin / Tyramin (Tdc2), Glutamatergic (VGlut), Cholinergic (ChAT) und GABA durchgeführt.

Experimente haben gezeigt, dass die Trh-Gal4-Linie die Expression in 5-HT-exprimierenden Neuronen kontrolliert und dass diese Neuronen keinen der anderen oben aufgeführten Neurotransmitter exprimieren. Daher sind ausschließlich serotonerge Neuronen vorhanden.

Darüber hinaus wurden praktische Experimente durchgeführt, bei denen die Wissenschaftler Insekten beobachteten, die sich frei durch die Kammer bewegten, wodurch die Wirkung von 5-HT- ^VNC- Neuronen auf die Motorik charakterisiert werden konnte.


Abbildung 2: 5-HT- ^VNC- Neuronen modulieren die Gehgeschwindigkeit von Drosophila.

Wie erwartet war die Aktivierung von 5-HT- ^VNC- Neuronen ausreichend, um die durchschnittliche Gehgeschwindigkeit zu senken ( 2A ). Es ist merkwürdig, dass die Aktivierung dieser Neuronen die Gesamtgehzeit der Versuchspersonen nicht verändert. Dies deutet darauf hin, dass sich nicht die Gesamtaktivität des Einzelnen ändert, sondern die durchschnittliche Bewegungsgeschwindigkeit (Gehen).

Es wurde auch festgestellt, dass die Aktivierung von 5-HT- ^VNC- Neuronen die absolute Winkelgeschwindigkeit von Fliegen verringert. Das heißt, experimentelle Personen gehen langsamer, aber auf direkteren Wegen als Mücken aus der Kontrollgruppe.

Wissenschaftler stellen fest, dass diese Forschungsmethode zwar einen Geschwindigkeitsverlust aufgrund der Aktivierung von 5-HT- ^VNC- Neuronen aufweist, jedoch nicht nachweisen kann, in welchen Situationen im realen Leben (in der natürlichen Umgebung) diese Neuronen normalerweise zur Modulation der Fortbewegung eingesetzt werden. Um dies herauszufinden, wurden interne Kaliumrektifikationskanäle * Kir2.1 verwendet, um 5-HT- ^VNC- Neuronen konstitutiv zu inaktivieren.

Interne Gleichrichtungskanäle * sind Ionenkanäle, durch die positive Ionen leicht in die Zelle gelangen, nicht aber heraus.

Die Hemmung (dh "Trennung") von 5-HT- ^VNC- Neuronen führt dazu, dass Mücken schneller werden (2 V), was wiederum frühere Experimente bestätigt. Tatsächlich sind Geschwindigkeitsverschiebungen, die entweder durch optogenetische Aktivierung oder konstitutive Hemmung von 5-HT- ^VNC- Neuronen verursacht werden, gegensätzlich ( 2C ). Darüber hinaus führt die Inaktivierung von 5-HT- ^{VNC dazu,} dass Versuchspersonen ihre Winkelgeschwindigkeit erhöhen, und erhöht auch den Prozentsatz der Zeit, die die Mücke beim Gehen verbringt.

Folglich legt der gegenseitige Einfluss auf die Aktivierungs- oder Inaktivierungsrate von 5-HT- ^VNC- Neuronen nahe, dass die Freisetzung von Serotonin in VNC die Grundgeschwindigkeit des Gehens modulieren kann.

Aus den obigen Beobachtungen folgt, dass die Aktivierung / Inaktivierung von 5-HT- ^VNC- Neuronen während der Mückenbewegung variiert. Um dies zu testen, wurde die Mücke auf das Laufband gelegt (nein, dies ist kein Scherz) und eine funktionelle Kalziumvisualisierung der 5-HT ^VNC ( S3A ) -Prozesse wurde durchgeführt .


Bild Nr. S3 (aus zusätzlichen Materialien): Visualisierung von 5-HT- ^VNC- Neuronen in einer sich bewegenden Mücke (siehe Bild Nr. 2).

Die Analyse wurde nicht nur am ganzen Körper durchgeführt, sondern auch an Fasern in der Halswirbelsäule, da die Aktivität in diesen Fasern eng mit dem Gehen zusammenhängt ( 2D und 2E ). Die fluoreszierenden Kalziumsignale dieser Zellen nehmen zu Beginn jedes „Spaziergangs“ entlang des Laufbands stark zu ( 2F ). Diese Signale sind viel schwächer, wenn die Mücken andere Bewegungen ausführen, z. B. Rüssel oder „Waschen“. Diese Beobachtungen legen nahe, dass eine Untergruppe von 5-HT- ^VNC- Neuronen während des Gehens aktiv ist und nicht während allgemeiner Bewegungen.

Es wurde auch festgestellt, dass die Aktivität dieser serotonergen Prozesse positiv mit der durchschnittlichen Gehgeschwindigkeit korreliert. Daher können diese Neuronen aktiver werden, wenn ein Individuum schneller wird.

Es kann jedoch angenommen werden, dass die Verlangsamung der Gehgeschwindigkeit bei Aktivierung von 5-HT- ^VNC- Neuronen auf eine beeinträchtigte Koordinierung der Bewegungen zurückzuführen ist.


Bild 3: Bewegungen werden weiterhin koordiniert, wenn 5-HT- ^VNC- Neuronen aktiviert werden.

Andernfalls sind Verzögerung und Aktivierung von 5-HT- ^VNC nicht mit Koordination verbunden. Prüfen Sie, welche Option richtig ist, indem Sie Flywalker-Daten analysieren.

Die Ergebnisse der Analyse zeigten, dass die Aktivierung von 5-HT- ^VNC nicht nur eine Folge einer Koordinationsverletzung ist, sondern im Gegenteil. Tatsache ist, dass bei langsamerem Gehen eine bessere Koordination der Bewegungen erforderlich ist, was in Mücken während der Experimente ( 3A und 3C ) festgestellt wurde. Die Art und Weise, wie Mücken jedes Bein während des Gehens bewegen, bestätigt, dass keine Koordinationsstörungen vorliegen ( 3B und 3D ). Übrigens zeigten Mücken aus der Kontrollgruppe (für die niemand etwas Besonderes aktivierte) weniger koordinierte Bewegungen als Mücken mit aktivierten 5-HT- ^VNC- Neuronen.

Es ist wichtig zu berücksichtigen, dass die Parameter der Bewegungskoordination und die Parameter des Gehens nicht in allen Fällen konstant sein können, da sie sich in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Tieres ständig ändern. Wenn zum Beispiel Tiere langsamer gehen, nimmt die Frequenz ihrer Schritte ab, sie machen längere Schritte und verlangsamen die Geschwindigkeit ihrer schwankenden Pfoten (d. H. Zum Zeitpunkt des Schrittes). Solche Parameterverschiebungen gehen mit Verschiebungen in einem schrittweisen Zyklus einher, da die Dauer des Stehens (einer getrennten Position des Körpers während des Gehens) zunimmt und die Dauer der Schwingung im Wesentlichen unverändert bleibt.

Wenn 5-HT- ^VNC- Neuronen aktiviert werden, bleiben diese Beziehungen relevant und erstrecken sich auf einen Bereich niedrigerer Geschwindigkeiten ( 3E - 3I ). Wenn die Mücke langsamer wird, werden überwiegend 4 Beine als Stütze verwendet (stabilere Version), während drei für einen schnellen Schritt verwendet werden. Nach der Aktivierung der 5-HT- ^VNC- Neuronen setzt das Experiment eine solche Gangart ( 3J - 3L ) fort.

In einigen Fällen, wie z. B. Schrittlänge ( 3G ) und Standdauer ( 3I ), ist die Beziehung zwischen Bewegungsparametern und Geschwindigkeit bei Aktivierung von Neuronen eine Extrapolation des entsprechenden Verhältnisses in wilden Mücken. Bei der Wahl der Gangart mit einer Unterstützung von drei Beinen ( 3J ) ändert sich das Verhältnis von Parametern und Geschwindigkeit, wenn diese Neuronen aktiviert werden. Mit anderen Worten, die Schrittlänge und -dauer einer einzelnen Position während des Gehens mit 5-HT- ^VNC- Aktivierung ist vergleichbar mit normalen Mücken, und im Falle eines Stativganges ändert sich das Parameter-Geschwindigkeits-Verhältnis.

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№4: , 5-HT ^VNC .

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, — 5-HT1A, 5-HT1B, 5-HT2A, 5-HT2B 5-HT7 — , G- (GPCR). - .

5-HT1A ^Gal4 , 1B ^Gal4 , 2A ^Gal4 7 ^Gal4 , 5-HT7 ^Gal4 ( 5 ). , 5-HT7 , .


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. 5-HT7 ^Gal4 5-HT1B ^Gal4 , Trh01, 5-HT ^VNC ( 5C , 5D 5G ). 5-HT1A ^Gal4 5-HT2A ^Gal4 , ( 5E - 5G ). , .

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Nachwort

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In Zukunft wollen die Wissenschaftler die Wirkung von Serotonin auf die Fortbewegung genauer untersuchen und weitere Faktoren ermitteln, die auf die eine oder andere Weise die Bewegungen von Tieren modulieren. Die Hauptaufgabe für sich selbst ist die Erstellung einer vollständigen molekularen Karte der mit der Fortbewegung verbundenen Prozesse.




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