Een team onder leiding van een neurowetenschapper van de City University of Hong Kong (CityU) heeft een sleutelmechanisme geïdentificeerd van een biologische klok die ervoor zorgt dat rondwormen regelmatig blijven door met regelmatige tussenpozen te poepen.

De ontlastingsstap staat onder de getimede controle van een zenuwcel in de kop van de worm. Deze cel geeft ongeveer elke 45 seconden een zenuwimpuls of elektrische ontlading af. Elke impuls wordt onmiddellijk langs de worm overgedragen via een zenuwvezel die contact maakt met een zenuwcel in de staart. Deze cel vuurt vervolgens een impuls af met de bijna gesynchroniseerde impuls van de hoofdzenuwcel die de onderste darmspieren stimuleert om ontlasting te verdrijven.

"De 1 millimeter lange rondworm Caenorhabditis elegans, of C. elegans, wordt door levenswetenschappers over de hele wereld als modelorganisme gebruikt. Als wildtype wormen in de buurt zijn van voldoende voedsel, eten ze constant zonder te stoppen, maar poep elke 45 seconden met bijna klokachtige precisie. Waarom en hoe wormen dat doen, heeft onderzoekers ertoe aangezet om de onderliggende mechanismen te bestuderen, "zegt teamleider Dr. Liu Qiang, universitair docent bij de CityU-afdeling Neurowetenschappen. "Onze bevindingen lossen dit 30-jarige mysterie op en verdiepen ons begrip van het genereren van ritmisch gedrag, evenals de verbindingen tussen het zenuwstelsel van een dier en de fysiologie."

Het onderzoek werd gezamenlijk begeleid door Dr. Liu Qiang van CityU en Dr. Louis Tao van Peking University. De resultaten zijn op 19 mei 2022 gepubliceerd in Nature Communications , onder de titel "C. elegans enterische motorneuronen vuren gesynchroniseerde actiepotentialen die ten grondslag liggen aan het motorische ontlastingsprogramma."

Darm-hersencircuit

C. elegans is goed bestudeerd in neurowetenschappen en hersenonderzoek, en alle 302 cellen van zijn zenuwstelsel zijn geïdentificeerd, benoemd en fysiek in kaart gebracht, samen met al hun zenuwverbindingen. De twee belangrijke zenuwcellen die betrokken zijn bij het reguleren van de stoelgang zijn AVL in het hoofd en DVB in de staart.

"Onderzoekers wisten dat de darm van C. elegans een periodieke toename van calcium, calciumgolven genaamd, in de epitheelcellen genereert, die de afgifte van darmneuropeptiden veroorzaken die AVL- en DVB-zenuwcellen stimuleren, wat leidt tot ontlasting. De onderliggende mechanismen van communicatie tussen de darm en de hersenen waren onbekend. Hoe de twee enterische neuronen, één in de kop van de worm, de andere in de staart, met elkaar communiceren over zo'n lange afstand terwijl ze het timingsignaal dat van de darm werd ontvangen met opmerkelijke robuustheid en nauwkeurigheid verwerken?' zegt dr. Liu. "Voor de eerste keer hebben we aangetoond dat AVL- en DVB-zenuwcellen alles-of-niets spiked-impulsen of actiepotentialen produceren, en deze digitale signalering stelt AVL in het hoofd in staat om directe langeafstandscommunicatie uit te voeren met DVB in de staart om reguleren uitwerpselen."

Omdat calciumionen tijdens elke zenuwimpuls de cel binnenstormen, onderzochten de onderzoekers AVL-naar-DVB-signalering door een speciale microscoop te gebruiken om wormen te filmen die waren geprogrammeerd om fluorescerend groen te gloeien in de aanwezigheid van calcium. Ze zagen voor het eerst een algemene golf van calcium door de darmen. Na ongeveer 3 seconden ontdekten ze bijna gelijktijdige calciumpieken in AVL en DVB die een halve seconde duurden en ongeveer eens per 45 seconden terugkeerden (zie figuur 1).

De calciumpieken in AVL en DVB vielen samen met spierbewegingen van kop tot staart die plaatsvonden op bijna hetzelfde moment als de uitwerpselen van de ontlasting. Uit deze bevindingen concluderen de onderzoekers dat hoewel de darm zelf de algemene defecatie-pacemaker is, gesynchroniseerde AVL- en DVB-impulsen de precieze timing en coördinatie regelen van kop-staartbewegingen van lichaam en darmen die nodig zijn voor de uitdrijvingsstap.

Multitasking-actiepotentiaal

Directe metingen van de spanning over het membraan van geïsoleerde AVL- en DVB-cellen bevestigden de puntige profielen van hun actiepotentialen. Nader onderzoek wees uit dat de AVL-impuls een ongebruikelijke actiepotentiaal is die bestaat uit twee dicht bij elkaar gelegen pieken. The first spike acts as a positive and rapid signal (signal rise in around 100 milliseconds, red circle in Figure 2) that propagates to DVB quickly (in milliseconds) and switches on the sequence of muscle motions leading to a bowel movement. The second spike acts as a negative and slower signal (in seconds, yellow circle in Figure 2) that switches off the sequence to inhibit further bowel movements and thus prevent excessive excretion. Furthermore, each AVL impulse is also followed by a long-lasting negative undershoot phase (in dozens of seconds, green circle in Figure 2) that inhibits DVB misfiring impulses when it is not supposed to.

"The AVL nerve cell in the head plays the most crucial role in regulating the defecation rhythm at multiple time scales," says Dr. Liu. "It not only relays but also modulates the pacemaker signal from the gut by resetting the system during each defecation cycle and preventing nerve misfiring between cycles, so that the body clock is kept robust and accurate."

This study paves the way for further research into gut–brain communication and other body clock systems underlying repetitive animal behaviors. "I have no doubt that fundamental principles of brain function learned from studying worms will be used as a springboard to gain understanding of more complex brains like ours," adds Dr. Liu.