Skoro 50 godina, riba bez čeljusti zvana lampuga interesuje naučnike zbog svoje izuzetne sposobnosti da se oporavi od povreda kičmene moždine. Nova studija otkriva moguću tehniku koju lampuge mogu koristiti da ponovo plivaju, uprkos oskudnoj neuralnoj regeneraciji.
Kristina Hamlet sa Univerziteta Baknel i saradnici, uključujući Dženifer R. Morgan iz Morske biološke laboratorije (MBL), koristili su matematički model da pokažu kako lampuge mogu da koriste povratne informacije o telu da bi povratile sposobnost plivanja nakon povrede kičme. Studija bi mogla da inspiriše nove terapijske pristupe kod ljudi ili algoritme za kretanje u mekim robotima. Rad je objavljen u Proceedings of the National Academi of Sciences .
„Suština rada je da čak i u odsustvu silazne komande preko te [kičmene] lezije, možete pojačati senzornu povratnu informaciju i vratiti lokomociju“, rekao je Morgan, viši naučnik MBL-a i direktor MBL-ovog Eugene Bell Centra za regenerativnu biologiju i inženjerstvo tkiva.
Za razliku od ljudi i drugih sisara, lampuge se brzo i skoro potpuno oporavljaju čak i nakon teških lezija visoko u kičmenoj moždini. Morgan je ranije otkrio da iako neuralna regeneracija pomaže oporavku kod lampuga, ona ne govori punu priču. Samo mali procenat neurona i neuronskih veza se obnavlja preko povrede kičme, tako da moraju da koriste drugi mehanizam.
„Imao sam sva ova pitanja o tome kako bi to moglo da funkcioniše. Kako ste mogli da dobijete funkcionalan nervni sistem sa nekoliko malih retkih veza?“ upitao je Morgan.
Naučnici su pretpostavili da bi lampuge mogle da koriste povratnu informaciju o telu (nazvanu propriocepcija ili kinestezija) da usmeravaju svoje pokrete pored silazne neuronske veze u kičmenoj moždini. Morgan je kontaktirala da razgovara o tome sa njenim starim prijateljem iz MBL-a, Erikom Tajtelom, vanrednim profesorom biologije na Univerzitetu Tafts i bivšim istražiteljem MBL Vhitman centra. Erik je već sarađivao sa Lizom Fauči, profesorkom matematike na Univerzitetu Tulejn, i Kristinom Hamlet, koja je bila komentor postdoc na Tulejnu. Biološki najverovatniji model lezije kičmene lezije lampuge pokazuje kako oni mogu da koriste kinesteziju (propriocepciju) da povrate sposobnost plivanja. Kredit: Od Christine Hamlet et al, PNAS , 2023, DOI: 10.1073/pnas.2213302120.
Titell, Fauci i Hamlet su koristili matematičke modele da oponašaju kretanje lampuga. Udružili su se da „videmo da li možemo da modelujemo neke od efekata senzornih povratnih informacija na ponašanje u plivanju kod lampuga“, rekao je Hamlet, koji je trenutno docent matematike na Univerzitetu Baknel.
Tim je počeo da se poigrava sa različitim scenarijima kičmenih lampuga sa povredom – uključujući i one biološki verodostojne i neverovatne – koji svi pretpostavljaju da nema neuralne regeneracije preko lezije kičmene moždine. Ovo je korisnost modeliranja, rekao je Hamlet, „Možemo razbiti stvari koje ne možete razbiti u biologiji. Model je uzeo u obzir krivine i istezanje stvorene u telu iznad lezije i poslao te informacije ostatku tela kroz mišiće, a ne kičmenu moždinu.
Čak i sa umerenom količinom senzornih povratnih informacija, modeli su pokazali iznenađujući oporavak obrazaca plivanja u biološki prihvatljivim modelima. Jača senzorna povratna informacija dovela je do još većeg poboljšanja.
Pošto lampuge ponovo rastu neke od svojih neurona nakon lezije i stoga imaju silaznu komandu iz mozga da pokreću kretanje, možda će im trebati čak i manje senzorne povratne informacije od modela. Tim se nada da će dodati regeneraciju neurona u model i testirati kako to utiče na kretanje i interakciju sa senzornim povratnim informacijama.
„Ako imate dobar računarski model, možete proći kroz mnogo više scenarija manipulacija nego što je praktično sa eksperimentisanjem“, rekao je Morgan.
Tim se nada da će ova studija i buduća istraživanja doprineti terapijama za ljude sa povredama kičme i bolestima koje utiču na kretanje. Interfejsi moždanih mašina i uređaji za stimulaciju počinju da uključuju povratne informacije senzora tela kako bi stvorili glatkije pokrete nakon povrede, a ovo istraživanje bi moglo da informiše o količini i vrsti povratnih informacija koje su ljudima potrebne.
„Bilo da ste životinja poput lampuge koja se spontano [oporavlja] ili čovek kome treba dati lek ili električni stimulator, doći do tačke u kojoj imate nekoliko stvari na pravom mestu, a zatim ponovo upotrebite ono što je već trebalo bi da postoji više od pokušaja da se rekapitulira identičan originalni obrazac sinaptičkih veza i rasta“, rekao je Morgan.
