חוקרים מפתחים תרשים חיווט מפורט של המעגלים המוטוריים במערכות העצבים המרכזיות של זבובי הפירות. חיבור זה חושף את התיאום המורכב בין העצבים השולטים בתנועות הרגליים והכנפיים. תובנות ממחקרים עדכניים מדגישים את המורכבות של נוירונים מוטוריים ותפקידם בתנועות מגוונות כמו טיסה והליכה, ומספקות בסיס למחקר נוסף על תפקוד המעגל העצבי. (קונספט האמן.) קרדיט: twoday.co.il
מחקרים על זבובי פירות שופכים אור על התיאום העצבי המורכב של תנועות, ומגבירים את ההבנה שלנו לגבי תפקוד הנוירון המוטורי.
מדענים מפתחים תרשים חיווט של המעגלים המוטוריים במערכת העצבים המרכזית של זבובי הפירות השולטים בשרירים שלהם. דיאגרמה זו, המכונה קונקטום, כבר סיפקה תובנות לגבי התיאום המורכב בין העצבים השולטים בתנועות הרגליים והכנפיים.
מורכבות ביצורים פשוטים
בעוד שזבובי הפירות נראים כמו יצורים פשוטים, החוקרים אמרו שהמערכת המוטורית שלהם מכילה "רמה בלתי צפויה של מורכבות".
"נוירון מוטורי זבוב טיפוסי מקבל אלפי סינפסות ממאות נוירונים פרה-מוטוריים פרה-סינפטיים", הבחינו המדענים. "מספר זה עומד בקנה אחד עם קנה המידה של אינטגרציה סינפטית בתאי פירמידה של קליפת המכרסמים."
שחזור אנטומי של נוירונים מוטוריים השולטים בשרירי הרגל והכנף של זבוב הפירות. קרדיט: Tyler Sloan/Quorometrix Studio
מחקרים חדשים על קואורדינציה מוטורית
שני מאמרים חדשים שפורסמו בכתב העת המדעי טֶבַע חשפו את הממצאים האחרונים בתחום זה, ומקדמים את ההבנה שלנו כיצד מערכת העצבים המרכזית בבעלי חיים מתאמת שרירים בודדים כדי להקל על מגוון התנהגויות.
אנימציה של שחזור אנטומי של מבנים שונים של מערכת העצבים המעורבים בהמראה וטיסה בזבוב פירות נקבה.
יעילות ויכולת הסתגלות של נוירונים מוטוריים
זבובי פירות משתמשים ברגליהם לפעילויות רבות כמו זינוק, הליכה, טיפוח, לחימה וחיזורים. הם יכולים גם להתאים את ההליכה שלהם לנווט בשטחים כמו צמחי בית, קירות, משטחים לחים, תקרות – ואפילו הליכונים בקנה מידה של חרקים.
כל התנועות הללו, מרפלקסים יציבה המאפשרים לזבוב להחזיק את מיקומו יציב, דרך חציית מכשולים או שינוי כיוון טיסה, מקורן באותות חשמליים מנוירונים מוטוריים. האותות הללו מתנהלים דרך השלכות דמויות חוט מהנוירון המוטורי כדי לעורר שרירים.
שש רגליו של זבוב מנוהלות על ידי 60 עד 70 נוירונים מוטוריים בלבד, ציינו החוקרים. בחתול, הם ציינו, כ-600 נוירונים מוטוריים מספקים שריר שוק חתולי יחיד. רק 29 נוירונים מוטוריים שולטים בשרירי הכוח וההיגוי של כנף זבוב הפירות. לשם השוואה, שריר החזה של יונק הדבש מסופק על ידי 2,000 נוירונים מוטוריים.
למרות שהנוירונים המוטוריים של הזבוב מעטים, הוא מבצע הישגים אוויריים ויבשתיים יוצאי דופן.
שחזור אנטומי של חוט עצב הגחון של זבוב פירות נקבה. קרדיט: Tyler Sloan/Quorometrix Studio
היגיון חיווט של מעגלים פרמוטוריים
המדענים הסבירו שיחידות מוטוריות מורכבות מנוירון מוטורי יחיד ומסיבי השריר שהוא יכול לעורר. יחידות מוטוריות שונות, המופעלות בשילובים ורצפים שונים, משתפות פעולה כדי להשיג אינספור התנהגויות תנועה.
המדענים בשני המחקרים התעניינו בלוגיקת החיווט של מעגלים קדם-מוטוריים. הם רצו להבין כיצד מערכת העצבים של זבוב מתאמת יחידות מוטוריות כדי לבצע משימות מגוונות.
מיפוי מפורט וארכיטקטורה סינפטית
אחד המחקרים השתמש בכלים אוטומטיים, למידת מכונה, ביאור מסוג תא ומיקרוסקופ אלקטרוני לזיהוי 14,600 גופי תאים עצביים וכ-45 מיליון סינפסות (צמתים להעברת אותות) בחוט העצבים הגחוני של זבוב פירות נקבה. חוט עצב הגחון בזבובים מקביל לחוט השדרה ב בעלי חוליות. לאחר מכן, המדענים יישמו למידה עמוקה כדי לשחזר אוטומטית את האנטומיה של הנוירונים והקשרים שלהם בכל הזבוב הנשי.
נוירונים מוטוריים והפעלת שרירים בטיסה
החוקרים השתמשו בשיטות מתוחכמות כדי למפות את השרירים הממוקדים על ידי נוירונים מוטוריים ברגליים ובכנפיים. הם קבעו אילו נוירונים מוטוריים בחיבור חוט העצבים הבוגר הנשי מתחברים לשרירים בודדים ברגל הקדמית ובכנף. משם הם יצרו אטלס של המעגלים שמתאמים את תנועות הרגל והכנפיים של הזבוב במהלך ההמראה וההתנעה המוטורית בטיסה.
כדי להיכנס לאוויר, רגליו האמצעיות של הזבוב נמשכות לקפיצה ורגליו הקדמיות מתכופפות לקראת היציאה. זה בערך כמו מטוס נוסעים מונית שמחזיר את גלגליו לאחר שעזב את הקרקע או אנפה משתכשכת שתוחבת את רגליה הדקות כדי להרחיק אותן כשהיא שועטת לשמיים.
המדענים מצאו גם שחלק מסיבי השריר בזבובים בוגרים מועצבים על ידי מספר נוירונים מוטוריים. זה קורה גם בשלב הזחל של זבוב הפירות והארבה. בעוד שלחלק מהיונקים יש עצבובים מרובים של סיבי עצב כיילודים, אלה נעלמים בדרך כלל בבגרותם.
עצבובים מרובים עשויים להציע יותר גמישות ולהסביר מדוע איבריו של חרק יכולים לפעול בדיוק למרות שיש להם כל כך מעט נוירונים מוטוריים.
תובנות פונקציונליות ואבולוציוניות מ-Fly Connectomics
המדענים בחנו גם את מערכת המנוע של הכנפיים של הזבוב, שיש לה בערך שלושה חלקים מקובצים לפי תפקיד: הפעלת הכנף הנפנפת, היגוי החרק והתאמת תנועת הכנפיים.
חקירת הקישוריות של הנוירונים הפרה-מוטוריים אפשרה לחוקרים להשוות את ארגון המעגלים הפרה-מוטוריים לשני סוגים של גפיים. לרגל ולכנף בזבובי הפירות יש לכל אחד אבולוציה וביומכניקה ברורה.
השלכות וכיוונים עתידיים של מחקר קונקטום
חיבורים מאפשרים למדענים לייצר תיאוריות חדשות על אופן פעולתם של מעגלים עצביים, ולהפריך כמה מושגי שווא. המדענים הזכירו שהמאמץ הקהילתי האחרון לפתח את הקשר זבוב הפירות הוביל לאחד הראשונים סינפסהדיאגרמות חיווט ברמה עבור כל בעל חיים גפיים. הם מקווים שחיבורים נוספים יאפשרו לחוקרים להשוות חיווט עצבי בין אנשים. השחזור הצפוי של חוט עצב מרכזי של זבוב פירות זכר עשוי להאיר הבדלים בין המינים.
המחקר נתמך על ידי פרס מלומד סרל, מלגת קלינגשטיין-סיימון, פרס פיו רפואי רפואי, פרס מלומד מקנייט, מלגת מחקר סלואן, קרן תאי גזע של ניו יורק, אוניברסיטת וושינגטון פרס החדשנות, פרס ג'ניס גולדנסון, המכונים הלאומיים לבריאות מענקים U19NS104655, RO1MH177808.
