[论文解读] A Behavioural Perspective on the Early Evolution of Nervous Systems: A Computational Model of Excitable Myoepithelia

Ronald A. J. van Elburg, Oltman O. de Wiljes+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2012

Neural dynamics and brain function参考文献 56被引用 5

一句话总结

本研究提出，早期神经系统可能起源于依赖旁分泌化学信号传导而非间隙连接的可兴奋肌上皮组织。通过基于电导的计算模型，研究显示此类系统可通过细胞兴奋性和局部化学传递实现全身协调，尽管噪声和更大的体型限制了模式形成，支持了向具有轴突-树突连接的真正神经系统演化的两步式过渡。

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.

研究动机与目标

• 探究依赖旁分泌信号传导的可兴奋肌上皮组织是否能实现全身协调，这是神经系统演化的重要前体。
• 确定影响或限制原神经组织协调性的生物物理与形态学因素。
• 评估促使化学信号传导向特化的轴突-树突神经过程演化的进化压力。
• 模拟早期后生动物中从单细胞到多细胞协调机制的演化过程。

提出的方法

• 采用基于电导的细胞模型，模拟具有不同形状和电生理特性的肌上皮组织。
• 通过带噪声参数的随机囊泡释放来模拟旁分泌信号传导，以反映生物变异性。
• 基于波前相干性与体型及细胞宽度的相对关系，开发了一种协调性度量方法。
• 模型整合了体型尺寸，以评估其对激活模式的尺度效应。
• 在不同噪声水平和形态下模拟全身活动模式，以评估涌现的协调性。
• 扩展模型以探索未来可能的添加要素，如机械感受反馈、中枢模式生成器（CPGs）和抑制性信号传导。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅依赖旁分泌信号传导的可兴奋肌上皮组织是否能在无间隙连接的情况下产生协调的、全身尺度的激活模式？
• RQ2 囊泡释放的噪声、体型大小及相对尺寸如何影响原神经组织中全身协调的范围？
• RQ3 在较大生物体中，何种进化压力可能推动化学信号传导向轴突-树突神经过程的转变？
• RQ4 内在噪声和尺寸限制如何限制早期肌上皮系统功能能力？
• RQ5 起搏细胞或感觉反馈在稳定和引导原神经系统活动方面可能发挥何种作用？

主要发现

• 仅依靠旁分泌信号传导的可兴奋肌上皮组织，可通过细胞兴奋性和局部化学传递生成全身协调模式。
• 在小型肌上皮模型中，全身协调性可稳健地由内在细胞特性与化学信号传导实现。
• 体型增大加剧了囊泡释放中内在噪声的影响，降低了全身协调的可靠性和范围。
• 自发囊泡释放的噪声是大型原神经组织中协调性的关键限制因素。
• 研究结果支持两步式演化情景：首先，旁分泌信号传导实现基本协调；其次，轴突-树突连接结构演化以克服尺寸相关的限制。
• 研究表明，随着体型增大，发展非化学信号传导和特化的神经结构面临强烈进化压力。