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

Per capire come un essere vivente si muova, gli scienziati spesso osservano due elementi distinti: il diagramma del cablaggio del suo cervello e la meccanica fisica del suo corpo. Il diagramma del cablaggio, noto come connettoma, mappa ogni singola connessione tra i neuroni, proprio come una mappa dettagliata delle strade di una città. La meccanica descrive come i muscoli tirano un corpo per creare movimento. Per decenni, i ricercatori hanno faticato a combinare queste due mappe in un unico modello funzionante che possa spiegare come un minuscolo animale decida di muoversi in avanti, all'indietro o di fermarsi. La grande domanda è stata se il progetto grezzo del sistema nervoso, dotato di proprietà elettriche realistiche, sia sufficiente a generare da solo un comportamento complesso, o se il cervello abbia bisogno di un ritmo separato e pre-programmato per dirgli come muoversi. Questa domanda tocca un mistero più profondo della biologia chiamato degenerazione, ovvero l'idea che molti diversi impostazioni interne possano produrre esattamente lo stesso risultato esterno. Se ciò è vero, allora un sistema nervoso potrebbe essere incredibilmente robusto, capace di continuare a funzionare anche se le singole parti cambiano o falliscono.

Un nuovo studio di Huan Li presso la Shanghai Liangta Biotech Co., Ltd. affronta questo problema utilizzando il verme tondo Caenorhabditis elegans, una creatura così semplice che l'intero suo sistema nervoso è stato completamente mappato. Questo verme possiede esattamente 302 neuroni, e gli scienziati hanno già disegnato un quadro completo di come siano connessi. Li ha costruito una massiccia simulazione al computer che dà vita a questo intero sistema nervoso. Invece di semplificare i neuroni in base interruttori on-off, il modello tratta ogni singolo uno dei 292 neuroni del corpo del verme come un'unità elettrica complessa con diciassette tipi diversi di canali ionici. Questi canali agiscono come piccole porte che controllano il flusso di elettricità e sostanze chimiche all'interno della cellula. Il modello include anche il corpo del verme, simulato come un'asta flessibile che può piegarsi, e collega il cervello al corpo in modo che i muscoli possano sentire quando il corpo si piega e inviare quell'informazione di ritorno al cervello. Fondamentalmente, i ricercatori non hanno insegnato al modello come muoversi. Non hanno regolato i numeri per far camminare correttamente il verme. Hanno semplicemente inserito le note connessioni fisiche e le note proprietà elettriche delle cellule, poi lo hanno acceso.

Il risultato è stato una sorpresa. Senza alcun addestramento o ritmo pre-programmato, la simulazione ha iniziato a muoversi da sola. La rete di neuroni, guidata solo da un segnale elettrico costante e delicato, ha generato un'onda di piegamento che ha viaggiato dalla testa alla coda del verme. Questa onda ha spinto il verme virtuale in avanti attraverso lo schermo a una velocità di 0,210 millimetri al secondo, con una frequenza di oscillazione di 0,58 hertz. Questi numeri corrispondono quasi perfettamente al movimento dei veri vermi. Lo studio dimostra che l'anatomia da sola — il modo specifico in cui i neuroni sono cablati insieme, combinato con il loro naturale comportamento elettrico — è sufficiente per creare un movimento organizzato e realistico. Il ritmo del movimento non proveniva da un orologio centrale nel cervello; è emerso naturalmente dal ciclo tra il cervello, i muscoli e il senso di posizione del corpo stesso. Ciò conferma che il sistema nervoso del verme non ha bisogno di un manuale di istruzioni nascosto per camminare; le istruzioni sono già incorporate nella struttura fisica delle connessioni.

I ricercatori hanno poi testato quanto fosse davvero fragile questo sistema. Hanno eseguito una serie di esperimenti virtuali in cui spegnevano tipi specifici di canali ionici in ogni neurone contemporaneamente, imitando una mutazione genetica. In alcuni casi, questi cambiamenti hanno alterato drasticamente lo stato elettrico interno dei neuroni, spostando la loro tensione di riposo fino a 12 millivolt e cambiando la forza con cui scattavano di quasi il 50 percento. Nonostante questi massicci cambiamenti interni, il movimento del verme è cambiato appena. La velocità e la frequenza dell'oscillazione sono variate di meno dello 0,3 percento. Questa scoperta fornisce una forte evidenza per il concetto di degenerazione a livello dell'intero animale. Suggerisce che il sistema nervoso sia progettato con tanta ridondanza da poter assorbire enormi fluttuazioni interne senza perdere la propria capacità di funzionare. Il comportamento non è protetto da un singolo canale, ma dalla capacità collettiva dell'intera rete di compensare i cambiamenti nelle sue parti.

Tuttavia, il modello iniziale aveva un piccolo difetto: le pieghe del corpo del verme erano leggermente troppo superficiali rispetto ai veri vermi. Per correggere questo, i ricercatori hanno aggiunto un singolo strato di segnalazione chimica che era stato scoperto negli ultimi anni ma che mancava nei modelli precedenti. Questo sistema coinvolge un neurone specifico chiamato DVA, che rilascia un messaggero chimico che agisce come una manopola del volume per i muscoli. Quando il corpo si piega, questo neurone percepisce lo stiramento e amplifica il segnale inviato ai muscoli, rendendo le pieghe più profonde. Quando questo singolo meccanismo è stato aggiunto, l'ampiezza di piegamento della simulazione è aumentata per corrispondere all'intervallo biologico. Questa regolazione ha inoltre permesso al modello di riprodurre correttamente il comportamento dei veri vermi con mutazioni genetiche in questo sistema, che sono noti per muoversi più lentamente e con pieghe più superficiali. Inoltre, il modello ha risposto a un farmaco specifico, l'aldicarb, nello stesso modo in cui fanno i veri vermi. Quando il farmaco è stato introdotto, i vermi simulati con il sistema chimico intatto hanno accelerato rapidamente, mentre quelli con il sistema rotto non l'hanno fatto, rispecchiando gli esperimenti del mondo reale.

Infine, il team ha testato il modello contro esperimenti specifici in cui gli scienziati usano la luce per accendere e spegnere singoli neuroni. Quando hanno simulato l'accensione di un neurone chiamato AVA, il verme virtuale ha immediatamente invertito la direzione e ha iniziato a strisciare all'indietro, proprio come i veri vermi. Quando hanno simulato l'accensione di un neurone chiamato RIS, associato al sonno, il verme ha smesso di muoversi del tutto ed è rimasto immobile finché la luce non è stata spenta. Questi risultati hanno dimostrato che il modello cattura la logica fondamentale del comportamento del verme. Lo studio conclude che un diagramma di cablaggio completo, quando dotato di proprietà elettriche realistiche, è sufficiente per generare un comportamento complesso. Evidenzia inoltre che, sebbene il cablaggio sia la base, un livello specifico di modulazione chimica è necessario per perfezionare il movimento per farlo corrispondere alla precisione di un animale vivente. Questo lavoro fornisce un nuovo modo per studiare come funzionano i cervelli, offrendo uno strumento dove gli scienziati possono testare come i cambiamenti nei geni o nei farmaci possano influenzare il comportamento prima ancora di toccare un essere vivente.