[논문 리뷰] A Behavioural Perspective on the Early Evolution of Nervous Systems: A Computational Model of Excitable Myoepithelia

Ronald A. J. van Elburg, Oltman O. de Wiljes외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 14.

Neural dynamics and brain function참고 문헌 56인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 초기 신경계가 간극 접합이 아닌 페러크린 화학 전달을 이용하는 자극 가능한 미오에피테리얼 조직에서 진화했다고 제안한다. 도전 기반의 계산 모델을 사용하여, 이러한 시스템이 세포 자극성과 국소적 화학 전달을 통해 전신 조율을 달성할 수 있음을 입증한다. 다만 잡음과 더 큰 몸체 크기는 패atters 형성에 제한을 줌—진정한 신경계로의 이중 단계 진화 전이를 뒷받침한다.

ABSTRACT

How the very first nervous systems evolved remains a fundamental open question. Molecular and genomic techniques have revolutionized our knowledge of the molecular ingredients behind this transition but not yet provided a clear picture of the morphological and tissue changes involved. Here we focus on a behavioural perspective that centres on movement by muscle contraction. Building on the finding that molecules for chemical neural signalling predate multicellular animals, we investigate a gradual evolutionary scenario for nervous systems that consists of two stages: A) Chemically transmission of electrical activity between adjacent cells provided a primitive form of muscle coordination in a contractile epithelial tissue. B) This primitive form of coordination was subsequently improved upon by evolving the axodendritic processes of modern neurons. We use computer simulations to investigate the first stage. The simulations show that chemical transmission across a contractile sheet can indeed produce useful body scale patterns, but only for small-sized animals. For larger animals the noise in chemical neural signalling interferes. Our results imply that a two-stage scenario is a viable approach to nervous system evolution. The first stage could provide an initial behavioural advantage, as well as a clear scaffold for subsequent improvements in behavioural coordination.

연구 동기 및 목표

• 페러크린 신호전달을 이용하는 자극 가능한 미오에피테리얼이 전신 조율을 달성할 수 있는지 조사하기 위해.
• 원시 신경 조직에서 조율을 제한하거나 가능하게 하는 생물물리적 및 형태학적 요인을 규명하기 위해.
• 페러크린 신호전달에서 전문화된 축삭- dendritic 신경 과정으로의 전이를 이끄는 진화적 압력을 평가하기 위해.
• 초기 무척추동물에서 다세포 조율 메커니즘으로의 전이를 모델링하기 위해.

제안 방법

• 형태와 전기생리학적 특성에 따라 다양하게 변형된 미오에피테리얼 조직을 시뮬레이션하기 위해 도전 기반의 세포 모델을 사용하였다.
• 생물학적 변동성을 시뮬레이션하기 위해 노이즈 매개변수를 가진 확률적 시냅스 소포 방출 방식으로 페러크린 신호전달을 모델링하였다.
• 신체 크기와 세포 폭에 대한 웨이브 프론트의 일관성에 기반한 조율 측도를 개발하였다.
• 신체 치수와 크기를 모델에 통합하여 활성 패턴에 대한 척도 효과를 평가하였다.
• 다양한 노이즈 수준과 형태에서 전신 활동 패턴을 시뮬레이션하여 부상 조율의 잠재적 특성을 평가하였다.
• 기계적 수용체 피드백, CPGs, 억제성 신호전달 등의 향후 추가 요소를 탐색하기 위해 모델을 확장하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 간극 접합 없이 페러크린 신호전달에 의존하는 자극 가능한 미오에피테리얼이 전신 수준의 활성 패턴을 조율할 수 있는가?
• RQ2 시냅스 소포 방출의 노이즈, 몸체 크기, 상대적 치수는 원시 신경 조직에서 전신 조율의 정도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 더 큰 생물체에서 페러크린 신호전달에서 축삭- dendritic 신경 과정으로의 전이를 이끄는 진화적 압력은 무엇인가?
• RQ4 내재적 노이즈와 치수 제약은 초기 미오에피테리얼 시스템의 功能 능력을 어떻게 제한하는가?
• RQ5 패킷 세포나 감각 피드백은 원시 신경 시스템에서 활동을 안정화하고 유도하는 데 어떤 역할을 할 수 있는가?

주요 결과

• 페러크린 신호전달만으로도 세포 자극성과 국소적 화학 전달을 통해 자극 가능한 미오에피테리얼이 전신 조율 패턴을 생성할 수 있다.
• 작은 미오에피테리얼 모델에서는 내재된 세포 특성과 화학 전달이 전신 조율을 안정적으로 유도한다.
• 신체 크기가 증가할수록 시냅스 소포 방출의 내재적 노이즈 영향력이 증폭되어 전신 조율의 신뢰성과 범위가 감소한다.
• 자발적 시냅스 소포 방출의 노이즈는 더 큰 원시 신경 조직에서 조율을 제한하는 핵심 요인이다.
• 연구 결과는 이중 단계 진화 시나리오를 지지한다: 첫째, 페러크린 신호전달이 기본적인 조율을 가능하게 하고, 둘째, 축삭- dendritic 과정이 치수 관련 제약을 극복하기 위해 진화한다.
• 본 연구는 신체 크기가 증가함에 따라 비화학적 전달 및 전문화된 신경 구조의 발달에 강력한 진화적 압력이 존재할 것임을 시사한다.