Emergent locomotion from anatomy alone: a whole-connectome, conductance-based neuromechanical model of Caenorhabditis elegans

Um zu verstehen, wie ein Lebewesen sich bewegt, schauen Wissenschaftler oft auf zwei getrennte Dinge: das Verdrahtungsschema seines Gehirns und die physikalische Mechanik seines Körpers. Das Verdrahtungsschema, auch Konnektom genannt, bildet jede einzelne Verbindung zwischen Neuronen ab, ähnlich einem detaillierten Stadtplan mit Straßen. Die Mechanik beschreibt, wie Muskeln an einem Körper ziehen, um Bewegung zu erzeugen. Jahrzehntelang hatten Forscher Schwierigkeiten, diese beiden Karten zu einem einzigen, funktionierenden Modell zu kombinieren, das erklären kann, wie ein winziges Tier entscheidet, vorwärts, rückwärts oder gar nicht zu gehen. Die große Frage war, ob der reine Bauplan des Nervensystems, wenn man ihm realistische elektrische Eigenschaften verleiht, ausreicht, um von sich aus komplexes Verhalten zu erzeugen, oder ob das Gehirn einen separaten, vorprogrammierten Rhythmus benötigt, um ihm zu sagen, wie es sich bewegen soll. Diese Frage berührt ein tieferes biologisches Mysterium namens Degeneriertheit (Degeneracy), die Idee, dass viele verschiedene interne Einstellungen exakt dasselbe äußere Ergebnis hervorbringen können. Wenn dies wahr ist, dann könnte ein Nervensystem unglaublich robust sein und in der Lage sein, weiterzuarbeiten, selbst wenn sich einzelne Teile ändern oder ausfallen.

Eine neue Studie von Huan Li von Shanghai Liangta Biotech Co., Ltd. geht diesem Problem unter Verwendung des Rundwurms Caenorhabditis elegans nach, einem Geschöpf, das so einfach ist, dass sein gesamtes Nervensystem vollständig kartiert wurde. Dieser Wurm besitzt genau 302 Neuronen, und Wissenschaftler haben bereits ein vollständiges Bild davon gezeichnet, wie diese miteinander verbunden sind. Li baute eine massive Computersimulation, die dieses gesamte Nervensystem zum Leben erweckt. Anstatt die Neuronen zu einfachen An/Aus-Schaltern zu vereinfachen, behandelt das Modell jedes der 292 Neuronen im Körper des Wurms als eine komplexe elektrische Einheit mit siebzehn verschiedenen Arten von Ionenkanälen. Diese Kanäle wirken wie winzige Tore, die den Fluss von Elektrizität und Chemikalien innerhalb der Zelle steuern. Das Modell beinhaltet auch den Körper des Wurms, der als biegsame Stange simuliert wird, und verknüpft das Gehirn mit dem Körper, sodass die Muskeln spüren können, wenn sich der Körper biegt, und diese Information zurück an das Gehirn senden. Entscheidend ist, dass die Forscher dem Modell nicht beigebracht haben, wie man sich bewegt. Sie haben die Zahlen nicht angepasst, um den Wurm korrekt laufen zu lassen. Sie haben einfach die bekannten physikalischen Verbindungen und die bekannten elektrischen Eigenschaften der Zellen eingesteckt und dann eingeschaltet.

Das Ergebnis war eine Überraschung. Ohne Training oder vorprogrammierten Rhythmus begann die Simulation von selbst zu sich zu bewegen. Das Netzwerk der Neuronen, das nur durch ein stetiges, sanftes elektrisches Signal angetrieben wurde, erzeugte eine Beugungswelle, die von der Kopftraube des Wurms zum Schwanz wanderte. Diese Welle trieb den virtuellen Wurm mit einer Geschwindigkeit von 0,210 Millimetern pro Sekunde vorwärts über den Bildschirm, mit einer Wackelbewegung von 0,58 Hertz. Diese Zahlen stimmten fast perfekt mit den Bewegungen echter Würmer überein. Die Studie zeigt, dass die Anatomie allein – die spezifische Art und Weise, wie die Neuronen miteinander verdrahtet sind, kombiniert mit ihrem natürlichen elektrischen Verhalten – ausreicht, um eine organisierte, realistische Bewegung zu erzeugen. Der Rhythmus der Bewegung kam nicht von einer zentralen Uhr im Gehirn; er entstand natürlich aus der Schleife zwischen dem Gehirn, den Muskeln und der eigenen Wahrnehmung der Position des Körpers. Dies bestätigt, dass das Nervensystem des Wurms kein verstecktes Handbuch zum Laufen benötigt; die Anweisungen sind bereits in der physischen Struktur der Verbindungen eingebaut.

Die Forscher testeten dann, wie fragil dieses System wirklich ist. Sie führten eine Reihe virtueller Experimente durch, bei denen sie bestimmte Arten von Ionenkanälen in jedem Neuron gleichzeitig ausschalteten, was eine genetische Mutation nachahmte. In einigen Fällen veränderten diese Änderungen den internen elektrischen Zustand der Neuronen drastisch und verschoben ihr Ruhepotenzial um bis zu 12 Millivolt und änderten die Stärke ihrer Entladungen um fast 50 Prozent. Trotz dieser massiven internen Veränderungen änderte sich die Bewegung des Wurms kaum. Die Geschwindigkeit und die Frequenz des Wackelns verschoben sich um weniger als 0,3 Prozent. Dieser Befund liefert einen starken Beweis für das Konzept der Degeneriertheit auf der Ebene des gesamten Tieres. Er deutet darauf hin, dass das Nervensystem mit so viel Redundanz konzipiert ist, dass es enorme interne Fluktuationen absorbieren kann, ohne seine Fähigkeit zur Funktion zu verlieren. Das Verhalten wird nicht durch einen einzelnen Kanal geschützt, sondern durch die kollektive Fähigkeit des gesamten Netzwerks, Veränderungen in seinen Teilen zu kompensieren.

Das ursprüngliche Modell hatte jedoch einen kleinen Fehler: Die Beugungen des Wurmkörpers waren etwas zu flach im Vergleich zu echten Würmern. Um dies zu beheben, fügten die Forscher eine einzige Schicht chemischer Signalübertragung hinzu, die in den letzten Jahren entdeckt worden war, aber in früheren Modellen fehlte. Dieses System umfasst ein spezifisches Neuron namens DVA, das einen chemischen Botenstoff freisetzt, der wie ein Lautstärkeregler für die Muskeln wirkt. Wenn der Körper sich biegt, nimmt dieses Neuron die Dehnung wahr und verstärkt das Signal, das an die Muskeln gesendet wird, wodurch die Beugungen tiefer werden. Als dieser einzelne Mechanismus hinzugefügt wurde, erhöhte sich die Beugungsamplitude der Simulation auf das biologische Niveau. Diese Anpassung ermöglichte es dem Modell auch, das Verhalten echter Würmer mit Mutationen in diesem System korrekt zu reproduzieren, die bekanntlich langsamer bewegen und flachere Beugungen zeigen. Darüber hinaus reagierte das Modell auf ein spezifisches Medikament, Aldicarb, auf dieselbe Weise wie echte Würmer. Als das Medikament eingeführt wurde, beschleunigten die simulierten Würmer mit dem intakten chemischen System schnell, während jene mit dem defekten System dies nicht taten, was reale Experimente widerspiegelte.

Schließlich testete das Team das Modell gegen spezifische Experimente, bei denen Wissenschaftler Licht verwenden, um einzelne Neuronen ein- und auszuschalten. Als sie simulierten, ein Neuron namens AVA einzuschalten, kehrte der virtuelle Wurm sofort die Richtung um und begann rückwärts zu kriechen, genau wie echte Würmer. Als sie simulierten, ein Neuron namens RIS einzuschalten, das mit Schlaf assoziiert ist, hörte der Wurm ganz auf sich zu bewegen und blieb stehen, bis das Licht ausgeschaltet wurde. Diese Ergebnisse zeigten, dass das Modell die grundlegende Logik des Verhaltens des Wurms erfasst. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass ein vollständiger Verdrahtungsplan, wenn man ihm realistische elektrische Eigenschaften verleiht, ausreicht, um komplexes Verhalten zu erzeugen. Sie hebt auch hervor, dass die Verdrahtung zwar das Fundament ist, eine spezifische Ebene der chemischen Modulation jedoch notwendig ist, um die Bewegung an die Präzision eines lebenden Tieres anzupassen. Diese Arbeit bietet eine neue Möglichkeit, wie Gehirne funktionieren, indem sie ein Werkzeug bereitstellt, mit dem Wissenschaftler testen können, wie Veränderungen in Genen oder Medikamenten das Verhalten beeinflussen könnten, noch bevor sie jemals ein lebendes Wesen berühren.