1.28.2.4 Olfactory Reversal in Nematodes
Als een stimulus-respons organisatie van gedrag een bepaalde evolutionaire aanpassing zou zijn, b.v. geëvolueerd om actie selectie in voorspelbare situaties te versnellen, misschien kan men er voorbeelden van vinden in een diermodel waar we een aanwijzing hebben dat de evolutie de paden van stimuli naar responsen gestroomlijnd zou kunnen hebben. Een van de meest bestudeerde genetische modelorganismen en tot nu toe het enige volwassen dier met een volledig connectoom van zijn zenuwstelsel is de nematodeworm Caenorhabditis elegans met zijn 302 neuronen. Het C. elegans connectoom wordt gedomineerd door feedforward verbindingen van sensorische neuronen naar motorische neuronen (Qian et al., 2011), dus misschien is het zenuwstelsel van deze nematode een veelbelovende kandidaat om “reacties” te vinden in de letterlijke betekenis van het woord.
Een goed gekarakteriseerd gedrag in deze nematode is omkeergedrag. Het treedt op wanneer het dier aversieve stimuli tegenkomt, zoals bepaalde geuren. Het circuit dat dit gedrag controleert kan worden beschreven met slechts 4 neuronen, hun 44 chemische verbindingen, en hun elektrische synapsen. Een centraal onderdeel van het systeem is een neuron genaamd AVA. Wanneer AVA actief is, keert het dier zijn koers om. De sensorische input voor dit neuron wordt geleverd door een olfactorisch neuron, AWC. Als AWC bijvoorbeeld wordt gestimuleerd door een aantrekkelijke geurstof, stopt het met vuren, zodat AVA zijn prikkelende input verliest en ook stopt met vuren, waardoor omkeren minder waarschijnlijk wordt. Omgekeerd, het activeren van AWC ofwel experimenteel of met een aversieve geur verhoogt de kans op omkeringen door synaptisch activeren AVA (Gordus et al., 2015). Twee extra neuronen zijn betrokken bij dit circuit, AIB en RIM, en de karakterisering van hun rol in het circuit is cruciaal voor het begrijpen van de organisatie van olfactorisch-gemedieerd omkeergedrag in C. elegans.
De eerste interessante observatie van het circuit connectiviteit is dat er meer verbindingen zijn van de sensorische AWC neuron naar de AIB interneuron dan naar de omkeer neuron AVA. Dit is onverwacht, als de belangrijkste functie van zenuwstelsels het doorgeven van sensorische informatie aan motorische centra zou zijn. Beeldvorming van dit circuit in geïmmobiliseerde wormen in afwezigheid van stimuli onthult een complex patroon van gecorreleerde activiteit in alle neuronen. Interessant is dat de neuronen een soort binaire activiteitstoestand vertonen, die voor het grootste deel ofwel aan (neuron is actief) of uit (neuron is inactief) is. Bij het kwantificeren van de activiteitsschommelingen in dit circuit blijkt dat er drie belangrijke toestanden zijn (van de acht theoretisch mogelijke) waarin het circuit gewoonlijk verkeert: iets meer dan 60% van de tijd is het systeem “helemaal aan”, ruwweg 20% is “helemaal uit”, en de resterende 20% is in de toestand “alleen AIB aan”. Deze observatie levert twee inzichten op: Ten eerste, zelfs zonder enige stimulatie op alle, kan dit netwerk dynamiek spontane omkeringen te genereren zonder dat enige zintuiglijke input. Ten tweede zal elke olfactorische stimulus het bereiken van AWC interactie met de toestand van het circuit op dat moment toevallig in, in plaats van aankomst in een ruststand circuit en het activeren van een aantal neurale activiteit die er niet was voor. Het gedragsmatige gevolg van deze interactie is niet alleen het optreden van spontane omkeringen, maar ook het optreden van “spontane” niet-omkeringen in de aanwezigheid van een aversieve geur. Met andere woorden, de omkering circuit is probabilistisch en zonder het observeren van het zenuwstelsel van de worm, is het onmogelijk om te vertellen hoe spontaan de waargenomen gedrag eigenlijk is.
Experimenteel uitschakelen van een of beide van de interneuronen in dit circuit blijkt dat de rol van AIB en RIM is om de variabiliteit van de omkering circuit te verhogen. Terwijl de input naar het circuit van de olfactorische neuron AWC is altijd zeer nauwkeurig en voorspelbaar als, bijvoorbeeld, een geur wordt gepresenteerd, de activiteit van de omkering circuit varieert altijd aanzienlijk en deze variabiliteit wordt verminderd als AIB, RIM, of beide zijn uitgeschakeld (Gordus et al., 2015). Deze ontdekking maakt een uitstekende zaak voor RIM en AIB worden opgenomen in de omkering circuit specifiek om te injecteren broodnodige variabiliteit in een anders maladaptief deterministische omkering circuit. Verrassend genoeg, hoewel de feedforward verbindingen domineren de connectiviteit ook in deze kleine circuit, de variabiliteit die door de feedback verbindingen domineert een adaptieve eigenschap van het gedrag, de variabiliteit. Dit werk voegt C. elegans toe aan de steeds langer wordende lijst van dieren, wier zenuwstelsels zodanig zijn georganiseerd, dat de lopende activiteit slechts wordt gemoduleerd door externe stimuli. In het geval van de nematode blijkt dat van de vier neuronen in dit circuit, er twee uitsluitend bestaan om de effecten van prikkels op het gedrag van het dier te verzachten, om het dier meer autonoom te maken ten opzichte van zijn omgeving. Als een dier met slechts 302 neuronen, die net als bij alle andere dieren het meest energetisch kostbare weefsel vormen, 50% van een circuit besteedt aan het tegengaan van de effecten van stimulus-respons verbindingen in zijn zenuwstelsel, dan zijn de implicaties van deze ontdekking voor de organisatie van gedrag bij dieren in het algemeen niet te onderschatten.
Dus, in tegenstelling tot het idee dat een connectoom gedomineerd door feedforward verbindingen van sensorische naar motorische gebieden impliceert dat het voornamelijk motorische output berekent uit sensorische input, wordt ook het zenuwstelsel van C. elegans het best gekarakteriseerd door voortdurend veranderende, voortdurende activiteit, veel zoals vele andere zenuwstelsels die eerder in dit opzicht zijn bestudeerd. Het lijkt erop dat zelfs een numeriek kleine feedback component een fundamentele bijdrage levert aan de totale architectuur, zelfs van dergelijke feedforward-gedomineerde netwerken. Wat betekent dit voor hersenen, zoals die van zoogdieren, waarvan de neuro-anatomie lijkt te worden gedomineerd door terugkoppellussen?