Get best of the week

CO2 au lieu d'O2: comment les rats-taupes nus empĂŞchent les attaques convulsives



La planète Terre regorge de créatures incroyables, chacune ayant sa propre caractéristique unique. La plupart de ces traits distinctifs nous sont connus depuis longtemps, mais il y a ceux qui deviennent de véritables découvertes qui surprennent même les zoologistes les plus expérimentés. Aujourd'hui, nous examinons une étude dans laquelle les scientifiques ont découvert que les rats-taupes nus non seulement tolèrent des niveaux élevés de dioxyde de carbone dans l'air, mais en ont littéralement besoin. Quelle est la raison d'un tel besoin non standard, quel est l'avantage pour les excavateurs, et comment cette étude peut-elle aider la médecine moderne? Nous trouverons des réponses à ces questions dans le rapport des scientifiques. Aller.

Base d'Ă©tude


Malgré leur apparence loin de l'idéal de la beauté, les rats-taupes nus ( Heterocephalus glaber ) possèdent un certain nombre de talents incroyables que de nombreux autres mammifères envieraient.

Des rats-taupes nus habitent le territoire de l'Afrique de l'Est, plus précisément dans les savanes sèches et les semi-déserts du Kenya, de l'Éthiopie et de la Somalie. Comme son nom l'indique, ils vivent sous terre, mangeant des parties souterraines de plantes, c'est-à-dire racines, bulbes, tubercules, etc. Curieusement, les excavatrices ne boivent pas du tout, obtenant le liquide nécessaire de la nourriture.


Superflue, à première vue, la peau sur le corps du rat taupe lui offre un mouvement plus confortable dans les tunnels étroits de la colonie.

Les tunnels souterrains d'excavateurs forment de véritables labyrinthes dont la longueur totale peut atteindre 5 km. Pendant la construction, les excavatrices forment des équipes de 5-6 individus: le premier individu brise le tunnel à l'aide de ses longues incisives et ratisse le sol derrière lui; le terrain est transféré de personne à personne pour en dégager le tunnel. Périodiquement, le rôle de l'excavatrice passe à un autre individu de la brigade. Pendant un an, les excavatrices peuvent jeter jusqu'à 4 tonnes de terrain à la surface. C'est vraiment beaucoup, étant donné que le diamètre du tunnel ne dépasse généralement pas 5 cm.

Ces caractéristiques sociales ne s'arrêtent pas là. Les excavatrices, comme les abeilles, ont leur propre reine - une femelle produisant une progéniture, ainsi que 2-3 mâles qui sont engagés dans sa fertilisation. Les individus restants ne produisent pas de progéniture, bien que physiologiquement capables de cela. Leur tâche principale est d'étendre les colonies et de protéger leurs proches. La division en constructeurs et soldats est basée sur les dimensions de l'individu (les plus grands deviennent des soldats).


La reine femelle entourée de progéniture.

L'apparition de rats-taupes nus est assez inhabituelle. Disons simplement que le perdre dans la foule sera problématique. Cependant, cela est dû au mode de vie et à l'habitat. Les dimensions de la pelle sont assez modestes: longueur du corps jusqu'à 10 cm, queue jusqu'à 4 cm et poids jusqu'à 35 grammes. Les femelles pèsent plus - jusqu'à 80 grammes. Les pelles n'ont pas de laine, en plus de poils épais entre les pattes, ce qui les aide à creuser. Étant donné que creuser des tunnels est une activité vitale, la structure musculaire s'est également adaptée - plus de 25% de la masse corporelle du creuseur tombe sur la mâchoire, qu'ils utilisent lors du creusage.

Encore une fois, compte tenu de l'habitat, il n'est pas surprenant que les creuseurs soient extrêmement pauvres en vue, mais ils entendent très bien qu'ils utilisent activement les communications entre les individus, émettant plus de 18 signaux sonores différents.

Pour les scientifiques, les rats-taupes nus sont devenus un véritable mystère de la nature. Premièrement, ils ne souffrent pas de cancer (seuls 2 cas ont été enregistrés). Deuxièmement, ils vivent environ 30 ans, ce qui est incroyablement long pour les rongeurs (les souris ordinaires vivent jusqu'à 1,5 an).

Passant toute leur vie sous terre, les excavatrices se sont adaptées à la forte teneur en CO 2 de l'air. Auparavant, on pensait que c'était là que s'arrêtaient leurs fonctions d'échange de gaz, mais ce n'est pas le cas. Dans les travaux que nous envisageons aujourd'hui, les scientifiques ont découvert que les creuseurs ont littéralement besoin d'une augmentation du CO 2 dans l'air.

La base de toutes les caractéristiques ci-dessus de cette espèce peut être appelée eusocialité. Les excavatrices vivent en colonies, elles ont une reine, elles s'occupent conjointement de leur progéniture, etc. Ajoutez ici l'habitat et un certain nombre de problèmes surgissent qui devaient être résolus par l'adaptation, en particulier la distribution de nourriture et la forte teneur en CO 2 dans l'air.


Une vidéo qui raconte les caractéristiques de la vie sociale des creuseurs.

Les pelles sont à sang froid, et donc la température ambiante est un indicateur extrêmement important pour elles. Dans leurs colonies souterraines, la température est plus basse (19–28 ° ) que leur thermoneutralité (31–34 ° ). Lorsque des individus s'accumulent dans la même zone de colonie à la température thermoneutre, la consommation d'O 2 et la demande métabolique diminuent avec une augmentation du nombre d'individus. Cela est probablement dû au manque de ventilation accrue (causée par l'hypercapnie, c'est-à-dire l'intoxication au CO 2 ) chez cette espèce. Par conséquent, l'accumulation d'un grand nombre d'individus dans de petits espaces de la colonie peut être extrêmement utile pour la thermorégulation et la conservation de l'énergie.

Adaptation des pelles à l'augmentation du CO 2dans l'air se manifeste par une survie prolongée dans des conditions d'hypercapnie extrême, l'absence de réactions comportementales et respiratoires typiques dans de telles conditions, une diminution de la sensibilité des jonctions des lacunes neuronales (contacts intercellulaires) au CO 2 , ainsi qu'une insensibilité à certains acides.

La totalité des adaptations ci-dessus et le fait que les adultes ont un volume cérébral et un nombre de neurones inférieurs aux attentes indiquent la capacité des rats-taupes nus à limiter la consommation d'énergie cérébrale. L'habitat de cette espèce ne contribue qu'aux économies d'énergie dues à une hypercapnie accrue, ce qui réduit l'activité des neurones. Une autre confirmation que l'hypercapnie supprime l'excitabilité nerveuse est le puissant effet anticonvulsivant du CO 2sur les rongeurs et les humains.

Sur la base des données ci-dessus, les scientifiques ont suggéré que le maintien du cerveau dans un état hypercapnique chronique favorise la sélection de gènes qui économisent de l'énergie, éliminant d'autres mécanismes pour maintenir le ton inhibiteur.

Le cerveau des mammifères fonctionne à proximité des limites théoriques de la consommation d'énergie, la majeure partie étant utilisée pour maintenir les forces motrices ioniques nécessaires à la transmission des signaux électriques. Ainsi, des changements dans les fonctions et les modes d'expression des canaux ioniques et des porteurs pourraient se produire dans les excavateurs afin de protéger les neurones pendant la crise énergétique.

L'extrusion de Cl intraneuronal par le co-transporteur de chlorure cationique KCC2 (protéine) est un processus énergivore important dans le cerveau des mammifères. En tant que transporteur secondaire actif, KCC2 consomme indirectement de l' ATP * pour l'extrusion de Cl– à travers l'énergie stockée dans le gradient * K + généré par Na + / K + -ATPase * .
L'ATP * (adénosine triphosphate) est une source d'énergie universelle pour tous les processus biochimiques.
Gradient électrochimique * - une combinaison d'un gradient de concentration et d'un potentiel de membrane, qui détermine la direction du mouvement des ions à travers la membrane.
Na+/K+--* (- ) — , + , Na+ .
KCC2, en règle générale, est supprimé pendant les crises énergétiques [36], et l'inhibition du co-transport du chlorure de cation améliore la récupération de l'ATP après une privation d'oxygène-glucose.

Chez les mammifères typiques, la capacité du GABA à hyperpolariser les neurones et à inhiber leur activité dépend de la régulation positive du développement de KCC2, ce qui conduit à une diminution de la concentration du neurone Cl.

La fonction anormale de KCC2 peut interférer avec la signalisation du GABA et peut être associée à des convulsions et à une altération du développement du système nerveux, telles que l'épilepsie, l'autisme et la schizophrénie.

Au cours de cette étude, les scientifiques ont observé une colonie de rats-taupes nus dans des conditions de laboratoire contrôlées. Lors des observations, il a été remarqué que chacun des membres de la colonie passait beaucoup de temps dans le nid (la partie centrale de la colonie), où il y avait un niveau élevé de CO 2 .

Il convient également de noter que les excavatrices ont démontré leur vulnérabilité à l' alcalose hypocapnique * , qui se manifeste par des crises convulsives dans des environnements qui imitent les conditions aériennes.
Alcalose hypocapnique (respiratoire / respiratoire) * - une augmentation du pH sanguin due à une hyperventilation des poumons, entraînant une élimination excessive du CO 2 .
L'analyse du génome de rats-taupes nus a révélé une mutation spécifique à l'espèce du point d'histidine dans l'exon 22, la région régulatrice hautement conservatrice de KCC2.

Fait intéressant, des mutations similaires ont été trouvées chez les personnes souffrant de crises fébriles, d'épilepsie généralisée idiopathique, de troubles du spectre autistique et de schizophrénie.

Conformément à la fonction réduite de KCC2 chez les rats-taupes nus, une efficacité réduite de l'inhibition du GABA est observée, qui se manifeste par le lancement de convulsions chez l'adulte à température ambiante avec le diazépam. Ces saisies sont bloquées ou inversées si le niveau de CO 2 atteint ce qui est observé dans le nid de la colonie.

RĂ©sultats de recherche


Ensuite, nous considérons les données obtenues au cours d'expériences pratiques, d'observations et de calculs.

Une colonie artificielle a été créée pour les creuseurs expérimentaux équipés de capteurs, notamment les transpondeurs RFID (identification par radiofréquence). Les capteurs ont montré que la majeure partie de l'activité se produisait au sein de la même caméra (prise), dont l'emplacement changeait périodiquement. En d'autres termes, il y avait plusieurs chambres (nids) dans la colonie, la plupart des activités se déroulaient dans une chambre, donc les individus se déplaçaient dans une autre ( 1A ).


Image n ° 1 Les

capteurs ont également montré que tous les individus étaient dans le nid, accrochés les uns aux autres et ne quittant le nid que de temps en temps pour visiter la chambre des «toilettes».

Quelle que soit la caste (la reine, les imprégnateurs masculins, les constructeurs, les soldats) ou l'heure de la journée, tous les individus passent la plupart du temps dans les nids - 70% du temps pendant 26 jours d'observation. En même temps, comme prévu, la reine et ses mâles ont passé plus de temps dans le nid que les autres castes ( 1B ).


Activité de sujets expérimentaux au sein d'une colonie artificielle.

Les mesures de la teneur en CO 2 dans 96 chambres dans 5 colonies différentes ont montré des changements brusques de CO 2 selon le but de la chambre. Ainsi, la chambre de toilette a montré une valeur minimale d'augmentation de CO 2 de 0,05% (en volume), et la chambre de nidification a montré 2,33%.

La chambre de nidification de chaque colonie présentait constamment les niveaux les plus élevés de CO 2 (1,15% ± 0,41%, n = 8), suivie de la chambre dans laquelle la nourriture était placée chaque jour (0,49 ± 0,13%, n = 5). L'image 1C montre les conditions des colonies de TT-2 avec les valeurs moyennes de CO 2 enregistrées pour chaque chambre.

De ces observations, il s'ensuit que les pelles passent la plupart de leur temps dans les chambres à CO 2 les plus riches , malgré des températures identiques et d'autres facteurs.

Ensuite, il a fallu déterminer si un tel comportement est une manifestation de tolérance au CO 2 ou si les excavatrices privilégient consciemment les pièces où son contenu est plus élevé. A cet effet, les chercheurs ont réalisé un test dans lequel une caméra, qui n'est pas un socket tickler CO 2 . Après 24 heures, du CO 2 , de l'air ambiant comprimé (contenant 0,04% de CO 2 ) ou de l'azote gazeux pur (N 2 ) a été introduit dans la chambre d'essai . De plus, deux colonies supplémentaires ont été testées dans deux autres colonies, mais avec une teneur en CO plus élevée.2 (2,5% ou 11%).

La vérification du capteur d'activité à l'entrée de la chambre d'essai a montré une augmentation de la visite de cette chambre lorsqu'elle est alimentée en CO 2 supplémentaire . Lors du pompage d'air ordinaire ou de N 2 , il n'y a pas eu d'augmentation de la fréquentation de la caméra ( 1D ).

Un test similaire a été effectué avec des caméras servant de nids potentiels. Les résultats ont montré que la plupart du temps la grande majorité des individus se trouvent dans la chambre où le CO 2 est alimenté . Lorsque l'approvisionnement en dioxyde de carbone a été arrêté, les creuseurs ont amicalement déplacé leur nid vers la deuxième chambre du pourcentage de CO 2 .

La combinaison de ces observations indique clairement qu'une teneur élevée en CO 2 (mais pas en d'autres gaz, par exemple N 2 ) augmente la fréquentation des locaux correspondants. Il est arrivé au point que les creuseurs ont créé un nid où, logiquement, ils ne devraient pas le faire, uniquement pour la raison qu'il y avait plus de CO 2 dans cette section . Ils ont fait des nids près des chambres où le gaz était fourni, et après la cessation de l'approvisionnement, ils se sont immédiatement déplacés vers la chambre d'approvisionnement elle-même.


Image n ° 2

Comme vous le savez, les pelles n'aiment pas marcher en plein air, préférant passer toute leur vie sous terre. Au cours de l'étude, il a été décidé de tester expérimentalement l'hypothèse selon laquelle les excavatrices ne tolèrent pas le chaud avec une faible teneur en CO 2environnement de surface.

Les adultes ont été placés dans des chambres présentant les conditions suivantes: nid - 2,5% CO 2 /21% O 2 / 76,5% N 2 à 32 ° C; environnement de la pièce: 0,04% CO 2 /21% O 2 / 78,96% N 2 à 20 ° C et un environnement simulé avec une température de l'air de 42 ° C.

La fréquence respiratoire mesurée dans cet essai a montré un effet direct des conditions environnementales sur l'état des excavatrices. La fréquence respiratoire a doublé chez les individus résidant dans un milieu simulé ( 2A ).

Le pH et la pression partielle de CO 2 dans le sang des creuseurs variaient de l'acidose respiratoire *en conditions d'imitation d'un nid Ă  alcalose hypocapnique relative en conditions d'imitation de conditions en surface ( 2B ).
Acidose respiratoire * - déplacement de l'équilibre acido-basique du corps vers une augmentation de l'acidité (diminution du pH) causée par l'hypoventilation ou l'inhalation d'air à haute teneur en dioxyde de carbone.
L'hyperventilation s'est souvent accompagnée d'une période d'activité motrice accrue dans l'environnement de surface simulé. Cette activité s'est généralement calmée après environ 10 minutes. Chez 9 personnes sur 10 exposées aux conditions de surface, des signes d'activité convulsive sont apparus après l'arrêt de l'hyperactivité, en moyenne 14,4 ± 1,2 minutes après que la température dans la chambre a atteint 42 ° C. La température corporelle des sujets expérimentaux était en moyenne de 41,7 ± 0,6 ° C.

La figure 2C montre un enregistrement représentatif de l'électroencéphalogramme cortical (EEG) de l'activité de saisie pendant l'exposition aux conditions de surface (0,04% CO 2 /21% O 2 / 78,96% N 2 à 42 ° C).

L'activité convulsive s'est arrêtée ( 2D ) lorsque l'air de la chambre «nid» (2,5% 2 /21% 2 / 76,5% N 2 ) a commencé à être pompé dans la chambre dans des conditions environnementales .

L'augmentation de la fréquence respiratoire et du pH sanguin mesurés chez des rats-taupes nus dans des conditions de surface ( 2A et 2B ) indiquent que l'alcalose respiratoire est la principale cause de l'attaque, similaire aux crises observées chez les enfants et chez les rats / souris dans des conditions similaires .

Chez le rat et la souris, cette sensibilité aux crises causées par l'alcalose cérébrale diminue à la troisième semaine de vie. Cela est dû à une régulation accrue de KCC2 et à la maturation ultérieure de la signalisation GABA.

Chez l'homme, KCC2 est codé par le gène SLC12A5. Les scientifiques ont récemment découvert que la mutation de l'arginine * et de l'histidine * dans la région 952 du KCC2b humain, située dans la région régulatrice hautement conservatrice codée par l'exon 22, est associée à des crises fébriles.
L'histidine * est un acide aminé alpha hétérocyclique, qui est l'un des deux acides aminés conditionnellement essentiels.

L'arginine * est un acide aminé alpha basique aliphatique, qui est l'un des deux acides aminés conditionnellement essentiels.
Une étude du génome du rat taupe nu a révélé que l'histidine était une mutation spécifique à l'espèce dans le gène orthologue * codant pour KCC2.
Gènes orthologues * - gènes qui, dans diverses espèces, ont évolué à partir d'un prédécesseur commun.


Image 3: La

mutation ponctuelle spécifique à l'espèce KCC2, identifiée chez des rats-taupes nus, peut avoir un effet important sur la physiologie des neurones. Des études de surexpression de KCC2-H952 humain dans les neurones musculaires hippocampiques et néocorticaux ont montré que l'histidine dans cette position réduit l'expression de KCC2 dans la membrane plasmique neuronale. Cela conduit à une diminution de la capacité des neurones à extruder le Cl - .

Pour étudier la capacité des neurones corticaux des creuseurs et des souris à extruder Cl -, l'analyse du récepteur GABAA a été réalisée en utilisant la méthode de fixation du potentiel local. Cette méthode vous permet d'étudier les propriétés des canaux ioniques en isolant un fragment de la membrane cellulaire à l'aide d'une micropipette. Cela vous permet de contrôler la différence de potentiel entre les côtés de la membrane. Les données obtenues par cette méthode nous permettent d'estimer le niveau de concentration intracellulaire de Cl - .


Image n ° 4

L'analyse a confirmé que chez les rats-taupes nus, la capacité des neurones à extruder le Cl- est significativement plus faible que chez la souris ( 4A ).

Ensuite, les scientifiques ont décidé de vérifier si le médicament anticonvulsivant potentialisant le GABA (diazépam) pouvait bloquer les crises causées par l'hyperthermie chez les rats-taupes adultes.

Étonnamment, non seulement le diazépam n'a pas empêché les convulsions, mais il les a même exacerbées. L'injection de 1 ou 5 mg / kg de diazépam (par voie intrapéritonéale) à des mâles et à des femelles adultes (pesant 25 à 57 g, température ambiante de 20 ou 32 ° C) a provoqué des crampes motrices chez 10 animaux sur 10. Le délai de saisie était généralement inférieur à 5 minutes après l'injection de 5 mg / kg de diazépam (n = 5) et plus de 20 minutes après 1 mg / kg de diazépam (n = 5).

L'EEG de deux sujets testés lors de l'injection a montré que les crampes s'accompagnent en effet de crises corticales ( 4B ). Avec l'introduction de 0,5 mg / kg de diazépam, aucune convulsion n'a été observée, mais une augmentation de l'activité.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques etdes matériaux supplémentaires .

Épilogue


Dans cette étude, les scientifiques ont découvert que les rats-taupes nus, vivant presque toute leur vie dans des conditions à forte teneur en CO 2 , sont non seulement immunisés contre cela, mais en ont réellement besoin.

Le secret réside dans KCC2, qui est un transporteur de chlorure, c'est-à-dire il contrôle la quantité de chlorure à l'intérieur des neurones. En règle générale, chez les mammifères, le chlorure dans les neurones centraux est maintenu bas. Lorsque le GABA entre en contact avec des neurones, ces derniers prennent du chlorure, ce qui bloque l'activité du neurone.

Une diminution de l'activité des neurones est essentielle pour l'organisation de leur travail. Cependant, chez les excavatrices et les personnes atteintes d'une mutation KCC2, l'efficacité de l'élimination du chlorure des neurones est réduite. Par conséquent, l'inhibition de l'activité ne se produit pas comme prévu.

Les pelles font face à ce problème très inhabituel, en utilisant du dioxyde de carbone. Si la teneur en CO 2 dans l'air est trop faible, leur cerveau ne pourra tout simplement pas fonctionner à un rythme normal, qui se manifestera sous forme de crises.

Ce travail permet non seulement de mieux comprendre l'évolution d'une créature aussi unique qu'un rat taupe nu, mais peut également aider à travailler avec les mutations KCC2 chez les personnes qui provoquent des crises et le développement de l'épilepsie généralisée idiopathique, de la schizophrénie et de l'autisme.

Vendredi off-top:

.


Merci de votre attention, restez curieux et passez un bon week-end Ă  tous, les gars! :)

Un peu de publicité :)


Merci de rester avec nous. Aimez-vous nos articles? Vous voulez voir des matériaux plus intéressants? Soutenez-nous en passant une commande ou en recommandant à vos amis, VPS cloud pour les développeurs à partir de 4,99 $ , un analogue unique de serveurs d'entrée de gamme que nous avons inventé pour vous: Toute la vérité sur VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 cœurs) 10 Go DDR4 480 Go SSD 1 Gbit / s à partir de 19 $ ou comment diviser le serveur? (les options sont disponibles avec RAID1 et RAID10, jusqu'à 24 cœurs et jusqu'à 40 Go de DDR4).

Dell R730xd 2 fois moins cher au centre de données Equinix Tier IV à Amsterdam? Nous avons seulement 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV à partir de 199 $ aux Pays-Bas!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - à partir de 99 $! En savoir plus sur la création d'un bâtiment d'infrastructure. classe c utilisant des serveurs Dell R730xd E5-2650 v4 coûtant 9 000 euros pour un sou?

More articles:


All Articles