Ludzie i zwierzęta wykrywają różne bodźce, takie jak światło, dźwięk i zapach, za pośrednictwem komórek nerwowych, które następnie przekazują informacje do mózgu. Komórki nerwowe muszą być w stanie dostosować się do szerokiego zakresu odbieranych bodźców, które mogą wahać się od bardzo słabych do bardzo silnych. Aby to zrobić, mogą stać się mniej lub bardziej wrażliwi na bodźce (sensytyzacja i przyzwyczajenie) lub mogą stać się bardziej wrażliwi na słabsze bodźce i mniej wrażliwi na silniejsze bodźce w celu uzyskania lepszej ogólnej reakcji (kontrola wzmocnienia). Jednak dokładny sposób, w jaki to się dzieje, nie jest jeszcze poznany.

Aby lepiej zrozumieć proces kontroli wzmocnienia, zespół badawczy kierowany przez profesora Kimurę z Nagoya City University w Japonii zbadał glisty C. elegans. Odkryli, że kiedy robak po raz pierwszy poczuje nieprzyjemny zapach, jego komórki nerwowe wykazują dużą, szybko rosnącą i ciągłą reakcję zarówno na słabe, jak i silne bodźce.

Jednak po ekspozycji na zapach reakcja jest mniejsza i wolniejsza na słabe bodźce, ale pozostaje duża na bodźce silne, podobnie jak reakcja na pierwszą ekspozycję na zapach. Ponieważ kontakt z zapachem powoduje skuteczniejsze odsuwanie się robaków od zapachu, komórki nerwowe zmieniły swoją reakcję, aby lepiej dostosować się do bodźca za pomocą kontroli wzmocnienia.

Następnie naukowcy wykorzystali modelowanie matematyczne, aby zrozumieć ten proces. Modelowanie matematyczne jest potężnym narzędziem, które można wykorzystać do lepszego zrozumienia złożonych procesów biologicznych. Odkryli, że „reakcja na pierwszy zapach” składa się z szybkich i wolnych składników, podczas gdy „reakcja po ekspozycji” składa się tylko z powolnego składnika, co oznacza, że ​​doznania zapachowe hamują szybki składnik w celu uzyskania kontroli wzmocnienia.

Ponadto odkryli, że obie reakcje można opisać za pomocą prostego równania różniczkowego i że powolne i szybkie składowe odpowiadają nieszczelnej integracji pierwszej i drugiej pochodnej odpowiednio stężenia zapachu wyczuwanego przez robaka. Wyniki tego badania wykazały, że wcześniejsze doznania zapachowe jedynie wydają się hamować mechanizm wymagany dla składnika szybkiego.

Na podstawie tych wyników zespół badawczy założył ponadto, że różne reakcje komórek nerwowych na kontrolę wzmocnienia można regulować za pomocą stosunkowo prostego procesu z udziałem genów. Następnie rzeczywiście znaleźli zestaw genów (regulator białka G i kinazy białkowej G), które są wymagane w tym procesie.

Wyniki tego badania stanowią wnikliwe wykorzystanie modelowania matematycznego do wyjaśnienia podstaw aktywności komórek nerwowych i wykazania potencjału poszerzenia naszego rozumienia zjawisk życiowych poprzez połączenie modeli matematycznych z różnymi eksperymentami biologicznymi.

„Wynik modelowania był całkowicie zaskakujący” – powiedział prof. Kimura. „Ponieważ wiele aspektów odpowiedzi komórek nerwowych jest różnych, spodziewaliśmy się, że zaangażowane będą bardziej skomplikowane procesy. Prosty model zachęcił nas do znalezienia kluczowych genów, które zmieniają wszystkie aspekty tej różnicy, i myślimy, że nam się to udało”.

Podsumowując, badania te podkreślają znaczenie modelowania matematycznego w lepszym zrozumieniu złożonych procesów biologicznych. Łącząc modele matematyczne z eksperymentami biologicznymi, naukowcy mogą uzyskać nowy wgląd w sposób funkcjonowania komórek i organizmów oraz zaproponować nowe eksperymenty, które mogą nie być możliwe bez modelowania. Może to ostatecznie doprowadzić do nowych przełomów w dziedzinie biologii i medycyny.

Wyniki badań są publikowane w czasopiśmie Badania neurologiczne.

Dostarczone przez Nagoya City University