Ταξίδι με μέδουσες:Κατανόηση του ύπνου σε ανεγκέφαλα ζώα

Βρίσκομαι να εργάζομαι σε ένα αναδυόμενο πεδίο που μπορεί να ονομαστεί οικολογική εξελικτική αναπτυξιακή και συμπεριφορική βιολογία, που περιλαμβάνει την ανάλυση βιολογικών φαινομένων σε ένα ευρύτερο πλαίσιο. Προσπαθούμε να κατανοήσουμε πώς η εξέλιξη προγραμματίζει τις δυνατότητες ενός οργανισμού με βάση τις περιβαλλοντικές του ανάγκες και πώς αυτές οι ικανότητες μπορεί να είναι παρόμοιες ή διαφορετικές από αυτές που παρατηρούνται σε άλλα ζώα. Πιο συγκεκριμένα, επικεντρώνομαι στην καλύτερη κατανόηση της αυτο-επισκευής και των ικανοτήτων συμπεριφοράς μιας πολύ πρώιμης γενεαλογίας ζώων και έχω δουλέψει σε δύο βασικές ερωτήσεις:1) Πώς ανακτούν τη λειτουργία των ζώων μετά από τραυματισμό και 2) Πόσο θεμελιώδης είναι ο ύπνος συμπεριφορά;

Δεν ξεκίνησα το μεταπτυχιακό έχοντας στο μυαλό μου αυτές τις ερωτήσεις, αλλά αντίθετα, η έρευνά μου φυσικά με οδήγησε σε αυτές. Ξεκίνησα στο Caltech ως μικροβιολόγος, αλλά η τώρα σύμβουλός μου στη διατριβή Lea Goentoro και εγώ συναντιόμασταν περιστασιακά και συζητούσαμε για όλα τα είδη των θεμάτων και διαπιστώσαμε ότι μοιραζόμασταν πολλά ερευνητικά ενδιαφέροντα. Ένα έργο που είχαμε στο μυαλό μας ήταν να κατανοήσουμε καλύτερα την αναστρέψιμη γήρανση που παρατηρείται στις «αθάνατες μέδουσες» Turritopsis dohrnii , και άρχισα να εργάζομαι στο εργαστήριό της την άνοιξη του 2013.

Η Lea είναι βιολόγος συστημάτων με ιστορικό που εργάζεται με τον Xenopus laevis , ο αφρικανικός βάτραχος με νύχια. Η αρχή με τις μέδουσες θα ήταν μια περιπέτεια και για τους δυο μας. Turritopsis αποδείχθηκε ότι ήταν αρκετά δύσκολο να αποκτηθεί, και ενώ περιμέναμε να εμφανιστούν από την Ιαπωνία (τα ζελέ έφτασαν τελικά αλλά δεν ήταν υγιή και δεν μπορούσαμε να τα ξαναζωντανέψουμε) σκέφτηκα ότι θα ήταν καλή πρακτική να δουλέψω με ένα πιο κοινό μέδουσα. Επικοινωνήσαμε με το κοντινό ενυδρείο Cabrillo και πήραμε στα χέρια μας μερικά φεγγαράκια, Aurelia aurita , που είναι μια από τις πιο άφθονες και διαδεδομένες μέδουσες στον κόσμο. Μόλις τα βάλαμε να μεγαλώνουν στο εργαστήριο, με τη βοήθεια του ταλαντούχου τεχνικού εργαστηρίου μας Ty Basinger, έκανα μερικά απλά πειράματα ακρωτηριασμού για να προσδιορίσω σε γενικές γραμμές την αναγεννητική τους ικανότητα.

Η αναγεννητική ικανότητα της μέδουσας

Γρήγορα συνειδητοποίησα ότι δεν αναγεννούσαν τα χαμένα μέρη και, αντίθετα, φαινόταν να αναδιοργανώνουν τα υπάρχοντα μέρη τους ενώ ανασυγκροτούσαν τη βασική συμμετρία του σώματος, έργο που δημοσιεύσαμε αργότερα στο PNAS το 2015.  Η νεαρή μέδουσα της Aurelia aurita , που ονομάζονται ephyrae, αναδιατάσσουν τα εναπομείναντα χέρια τους ως απάντηση στον ακρωτηριασμό του βραχίονα, κεντράρουν ξανά το στόμα τους και ξαναχτίζουν τα μυϊκά τους δίκτυα. Αυτή η διαδικασία ολοκληρώνεται εντός 12 ωρών έως 4 ημερών και την ονομάσαμε συμμετροποίηση . Διαπιστώσαμε ότι οι δυνάμεις που δημιουργούνται από το μυϊκό δίκτυο, που λειτουργούν εντός του ιξωδοελαστικού υλικού που περιλαμβάνει τις μέδουσες, οδηγούν στην επανεξισορρόπηση των θέσεων των βραχιόνων, μια διαδικασία που διαμορφώθηκε από τον συνεργάτη μας Chin Lin, μηχανολόγο μηχανικό από την Ταϊβάν. Εξετάσαμε επίσης άλλα είδη μεδουσών και διαπιστώσαμε ότι πολλά υποβλήθηκαν σε παρόμοια διαδικασία αναδιοργάνωσης. Αυτή η εργασία έδειξε ότι η αναδιοργάνωση για την ανάκτηση της συμμετρίας του σώματος είναι μια ευέλικτη στρατηγική:προχωρά γρήγορα από διάφορες συνθήκες εκκίνησης χρησιμοποιώντας ιδιοσυστατικούς φυσιολογικούς μηχανισμούς και επειδή δεν απαιτούνται νέα κύτταρα, είναι εύλογα ένα σύστημα αυτοεπισκευής που εξοικονομεί ενέργεια.

Φέραμε πολλά είδη μεδουσών στο εργαστήριο ως μέρος του έργου συμμετρίας και ένα από αυτά ήταν η Cassiopea, η ανάποδη μέδουσα. Ενώ δούλευα μαζί τους, παρατήρησα ότι θα πάλλονταν σταθερά, εκτός από την περίπτωση που έκλεινα τα φώτα, οπότε θα πάγωναν αμέσως τη δραστηριότητά τους για λίγα δευτερόλεπτα. Ανέφερα αυτή τη συμπεριφορά σε δύο από τους φίλους και συναδέλφους μου, τον Ravi Nath, έναν επιστήμονα ύπνου με σκουλήκια στο εργαστήριο του Paul Sternberg και την Claire Bedbrooke, μηχανική opsin στο εργαστήριο της Viviana Gradinaru, και αρχίσαμε να ποσοτικοποιούμε τη συμπεριφορά τους ως απάντηση στις μεταβαλλόμενες συνθήκες φωτός. Αναπτύξαμε μια διάταξη παρακολούθησης μεδουσών και αρχίσαμε να καταγράφουμε τη συμπεριφορά τους για πολλές μέρες και νύχτες, με τη βοήθεια του Justin Bois, ενός γκουρού ανάλυσης δεδομένων, και είδαμε ότι είχαν παρατεταμένη μείωση στη δραστηριότητά τους τη νύχτα.

Αυτό μας οδήγησε να ξεκινήσουμε ένα πλήρες έργο για να προσδιορίσουμε εάν Cassiopea κοιμόμασταν τη νύχτα, εργασία που δημοσιεύσαμε πρόσφατα στο Current Biology. Βρήκαμε ότι η Cassiopea εμφανίστε τα τρία βασικά χαρακτηριστικά μιας κατάστασης που μοιάζει με ύπνο. Η πρώτη είναι μια αναστρέψιμη κατάσταση ηρεμίας, βασικά μια περίοδος χαμηλής δραστηριότητας που διακρίνεται από το κώμα ή την χειμερία νάρκη λόγω της αναστρεψιμότητάς της. Το δεύτερο είναι ένα αυξημένο όριο διέγερσης, που σημαίνει ότι το ζώο χρειάζεται μεγαλύτερο ερέθισμα για να προκαλέσει διέγερση κατά τη διάρκεια της ηρεμίας.

Τέλος είναι η ομοιοστατική ρύθμιση της ηρεμίας, οπότε αν ένα ζώο στερηθεί τη νυχτερινή του ηρεμία έχει αντισταθμιστικά χαμηλότερη δραστηριότητα μέχρι να αναρρώσει. Καθορίσαμε επίσης ότι η Cassiopea Η συμπεριφορά ρυθμίζεται κιρκάδια, συνεχίζουν να εναλλάσσονται σε δραστηριότητα ακόμη και απουσία φωτός. Τέλος, με τη βοήθεια του David Prober, ενός ειδικού ύπνου ζέβρα, βρήκαμε επίσης ότι η Cassiopea εμφάνισε ηρεμία ως απόκριση στη μελατονίνη, ένα βαθιά διατηρημένο μόριο ύπνου, υποδεικνύοντας μια πιθανή διατήρηση των μηχανισμών ύπνου από τις μέδουσες μέχρι το φυλογενετικό δέντρο. Αυτή είναι η πρώτη μελέτη που δείχνει μια κατάσταση ύπνου σε έναν οργανισμό χωρίς εγκέφαλο, καθώς οι μέδουσες έχουν ένα διάχυτο νευρικό δίχτυ και όχι ένα κεντρικό νευρικό σύστημα.

Ήμουν τυχερός που με υποστήριξε ο σύμβουλός μου, το τμήμα μου και η ευρύτερη κοινότητα του Caltech καθώς άρχισα να χρησιμοποιώ τις μέδουσες ως πρότυπο για βασικές ερωτήσεις στη βιολογία και ελπίζω να συνεχίσω αυτό το ταξίδι το επόμενο έτος ως μεταδιδάκτορας ή ανεξάρτητος συνεργάτης.

Αυτή η μελέτη, The Jellyfish Cassiopea Exhibits a Sleep-like State, δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Current Biology .