Fig. 1:imágenes de fluorescencia de calcio de un gusano C. elegans completo, que muestran (a) tres secciones de interés encuadradas de la cabeza a la cola (de izquierda a derecha) en el tiempo 0 antes de la activación de las células nerviosas; (b) una onda de calcio inicial en el intestino es seguida por la activación del cuerpo de la célula nerviosa AVL en la cabeza (punta de flecha grande, panel izquierdo), fibra nerviosa AVL (flecha pequeña, paneles izquierdo y medio), unión preanal del nervio-músculo (pequeña punta de flecha, panel izquierdo). flecha, panel derecho) y cuerpo de células nerviosas DVB en la cola (punta de flecha grande, panel derecho). Como referencia de control negativo, el * rojo en el panel derecho muestra una celda no afectada que es irrelevante para el ciclo de defecación. Crédito:Jiang, J. et al, Nature Communications (2022). DOI:10.1038/s41467-022-30452-y
Un equipo codirigido por un neurocientífico de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) ha identificado un mecanismo clave de un reloj biológico que garantiza que los gusanos redondos se mantengan regulares al defecar a intervalos constantes.
El paso de defecación está bajo el control cronometrado de una célula nerviosa ubicada en la cabeza del gusano. Esta célula dispara un impulso nervioso, o ráfaga de descarga eléctrica, cada 45 segundos más o menos. Cada impulso se transmite inmediatamente a lo largo del gusano a través de una fibra nerviosa que entra en contacto con una célula nerviosa en la cola. Luego, esta célula dispara un impulso con el impulso casi sincronizado de la célula nerviosa de la cabeza que estimula los músculos del intestino inferior para expulsar las heces.
"El gusano redondo de 1 milímetro de largo Caenorhabditis elegans, o C. elegans, es utilizado como organismo modelo por científicos de la vida en todo el mundo. Cuando los gusanos de tipo salvaje están en presencia de abundante comida, comen constantemente sin parar pero caca cada 45 segundos con una precisión casi similar a la de un reloj. Por qué y cómo lo hacen los gusanos ha atraído a los investigadores a estudiar sus mecanismos subyacentes", dice el codirector del equipo, el Dr. Liu Qiang, profesor asistente en el Departamento de Neurociencia de CityU. "Nuestros hallazgos resuelven este misterio de 30 años y profundizan nuestra comprensión de la generación del comportamiento rítmico, así como las conexiones entre el sistema nervioso y la fisiología de un animal".
La investigación fue supervisada conjuntamente por el Dr. Liu Qiang de CityU y el Dr. Louis Tao de la Universidad de Pekín. Los resultados se publicaron el 19 de mayo de 2022 en Nature Communications , bajo el título "Las neuronas motoras entéricas de C. elegans disparan potenciales de acción sincronizados que subyacen al programa motor de la defecación".
Circuito intestino-cerebro
C. elegans está bien estudiado en neurociencia e investigación del cerebro, y las 302 células de su sistema nervioso han sido identificadas, nombradas y mapeadas físicamente junto con todas sus conexiones nerviosas. Las dos células nerviosas importantes involucradas en la regulación de las deposiciones son AVL en la cabeza y DVB en la cola.
Fig. 2:Ilustración del modelo de circuito neuronal de picos que subyace al comportamiento de defecación rítmica. Crédito:Dr. Liu Qiang/ Universidad de la Ciudad de Hong Kong
"Los investigadores sabían que el intestino de C. elegans genera un aumento periódico de calcio llamado ondas de calcio en las células del epitelio, lo que provoca la liberación de neuropéptidos intestinales que estimulan las células nerviosas AVL y DVB, lo que conduce a la defecación. Sin embargo, los mecanismos subyacentes de comunicación entre el intestino y el cerebro eran desconocidos. ¿Cómo las dos neuronas entéricas, una en la cabeza del gusano y la otra en la cola, se comunican entre sí a una distancia tan larga mientras procesan la señal de sincronización recibida del intestino con notable robustez y precisión? dice el Dr. Liu. "Por primera vez, hemos demostrado que las células nerviosas AVL y DVB producen impulsos con picos de todo o nada, o potenciales de acción, y esta señalización digital permite que AVL en la cabeza realice una comunicación instantánea a larga distancia con DVB en la cola para regular la expulsión de heces."
Debido a que los iones de calcio ingresan a la célula durante cada impulso nervioso, los investigadores examinaron la señalización de AVL a DVB mediante el uso de un microscopio especial para ver gusanos en video que habían sido programados para brillar de color verde fluorescente en presencia de calcio. Primero observaron una ola general de calcio que bajaba por el intestino. Después de aproximadamente 3 segundos, detectaron picos de calcio casi simultáneos en AVL y DVB que duraron medio segundo y se repitieron aproximadamente una vez cada 45 segundos (ver Figura 1).
Los picos de calcio en AVL y DVB coincidieron con movimientos musculares de la cabeza a la cola que ocurrieron casi al mismo tiempo que la expulsión de las heces. A partir de estos hallazgos, los investigadores concluyen que, aunque el intestino en sí mismo es el marcapasos general de la defecación, los impulsos AVL y DVB sincronizados controlan el tiempo y la coordinación precisos de los movimientos corporales e intestinales de la cabeza a la cola necesarios para el paso de expulsión.
Potencial de acción multitarea
Las mediciones directas del voltaje a través de la membrana de las células AVL y DVB aisladas confirmaron los perfiles de picos de sus potenciales de acción. Un examen más detallado reveló que el impulso AVL es un potencial de acción inusual que consiste en dos picos muy juntos. El primer pico actúa como una señal positiva y rápida (aumento de la señal en alrededor de 100 milisegundos, círculo rojo en la Figura 2) que se propaga a DVB rápidamente (en milisegundos) y activa la secuencia de movimientos musculares que conducen a la evacuación intestinal. El segundo pico actúa como una señal negativa y más lenta (en segundos, círculo amarillo en la Figura 2) que apaga la secuencia para inhibir más movimientos intestinales y así prevenir la excreción excesiva. Además, cada impulso AVL también es seguido por una fase de subimpulso negativo de larga duración (en docenas de segundos, círculo verde en la Figura 2) que inhibe los impulsos fallidos de DVB cuando no se supone que lo haga.
"La célula nerviosa AVL en la cabeza juega el papel más importante en la regulación del ritmo de defecación en múltiples escalas de tiempo", dice el Dr. Liu. "No solo transmite, sino que también modula la señal del marcapasos desde el intestino al restablecer el sistema durante cada ciclo de defecación y evitar fallas nerviosas entre ciclos, de modo que el reloj biológico se mantenga sólido y preciso".
Este estudio allana el camino para futuras investigaciones sobre la comunicación intestino-cerebro y otros sistemas de reloj corporal que subyacen a los comportamientos animales repetitivos. "No tengo ninguna duda de que los principios fundamentales de la función cerebral aprendidos del estudio de los gusanos se utilizarán como trampolín para comprender cerebros más complejos como el nuestro", agrega el Dr. Liu.
