Get best of the week

CO2 bukannya O2: bagaimana tikus mol telanjang dapat mencegah serangan kejang



Planet Bumi penuh dengan makhluk luar biasa, yang masing-masing memiliki fitur uniknya sendiri. Sebagian besar fitur yang membedakan ini telah kita kenal sejak lama, tetapi ada yang menjadi penemuan nyata yang mengejutkan bahkan ahli zoologi yang paling berpengalaman sekalipun. Hari ini kita melihat sebuah studi di mana para ilmuwan menemukan bahwa tikus mol telanjang tidak hanya mentolerir kadar karbon dioksida yang tinggi di udara, tetapi benar-benar membutuhkannya. Apa alasan kebutuhan yang tidak standar, apa manfaatnya bagi para penggali di dalamnya, dan bagaimana penelitian ini dapat membantu pengobatan modern? Kami akan menemukan jawaban untuk pertanyaan-pertanyaan ini dalam laporan para ilmuwan. Pergilah.

Dasar studi


Meskipun penampilannya jauh dari ideal kecantikan, tikus mol telanjang ( Heterocephalus glaber ) memiliki sejumlah bakat luar biasa yang membuat iri banyak mamalia lain.

Tikus mol tikus telanjang menghuni wilayah Afrika Timur, lebih khusus di sabana kering dan semi-gurun Kenya, Ethiopia dan Somalia. Seperti namanya, mereka hidup di bawah tanah, memakan bagian bawah tanah dari tanaman, yaitu akar, umbi, umbi, dll. Anehnya, ekskavator tidak minum sama sekali, mendapatkan cairan yang diperlukan dari makanan.


Sekilas, pada awalnya, kulit pada tubuh tikus mol memberinya gerakan yang lebih nyaman di terowongan ketat koloni.

Terowongan bawah tanah dari excavator membentuk labirin nyata, yang panjang totalnya bisa mencapai 5 km. Selama konstruksi, ekskavator membentuk tim beranggotakan 5-6 orang: individu pertama memecah terowongan menggunakan gigi seri yang panjang dan menyapu tanah di belakangnya; tanah dipindahkan dari orang ke orang untuk membersihkan terowongan dari sana. Secara berkala, peran excavator dialihkan ke individu lain dalam brigade. Selama setahun, excavator dapat membuang hingga 4 ton tanah ke permukaan. Ini benar-benar banyak, mengingat bahwa diameter terowongan biasanya tidak melebihi 5 cm.

Fitur sosial ini tidak berakhir di situ. Ekskavator, seperti lebah, memiliki ratu mereka sendiri - seekor betina yang menghasilkan keturunan, serta 2-3 pejantan yang terlibat dalam pembuahannya. Individu yang tersisa tidak menghasilkan keturunan, meskipun secara fisiologis mampu melakukan hal ini. Tugas utama mereka adalah memperluas koloni dan melindungi kerabat mereka. Pembagian menjadi pembangun dan tentara didasarkan pada dimensi individu (yang lebih besar menjadi tentara).


Ratu wanita dikelilingi oleh keturunannya.

Penampilan tikus mol telanjang tidak biasa. Anggap saja kehilangan itu di tengah orang banyak akan bermasalah. Namun, ini karena gaya hidup dan habitat. Dimensi penggali cukup sederhana: panjang tubuh hingga 10 cm, ekor hingga 4 cm, dan berat hingga 35 gram. Betina lebih berat - hingga 80 gram. Excavator tidak memiliki wol, selain bulu-bulu tebal di antara cakarnya, yang membantu mereka menggali. Mengingat bahwa terowongan penggalian adalah aktivitas vital, struktur otot juga telah beradaptasi - lebih dari 25% massa otot tubuh penggali jatuh di rahang, yang mereka gunakan selama penggalian.

Sekali lagi, mengingat habitatnya, tidak mengherankan bahwa penggali sangat miskin dalam melihat, tetapi mereka mendengar dengan sangat baik bahwa mereka secara aktif menggunakan komunikasi antar individu, memancarkan lebih dari 18 sinyal suara yang berbeda.

Bagi para ilmuwan, tikus mol telanjang telah menjadi misteri alam yang nyata. Pertama, mereka tidak menderita kanker (hanya 2 kasus yang dicatat). Kedua, mereka hidup selama sekitar 30 tahun, yang sangat panjang untuk tikus (tikus biasa hidup hingga 1,5 tahun).

Menghabiskan seluruh hidup mereka di bawah tanah, excavator beradaptasi dengan kandungan CO 2 yang tinggi di udara. Sebelumnya diyakini bahwa ini adalah di mana fitur pertukaran gas mereka berakhir, tetapi tidak demikian. Dalam pekerjaan yang kami pertimbangkan saat ini, para ilmuwan telah menemukan bahwa penggali secara harfiah membutuhkan peningkatan CO 2 di udara.

Dasar dari semua fitur di atas dari spesies ini dapat disebut eusociality. Ekskavator hidup dalam koloni, mereka memiliki seorang ratu, mereka bersama-sama menjaga keturunan, dll. Tambahkan habitat di sini dan sejumlah masalah muncul yang perlu diselesaikan dengan adaptasi, khususnya distribusi makanan dan tingginya kandungan CO 2 di udara.


Sebuah video yang menceritakan tentang fitur kehidupan sosial para penggali.

Ekskavator berdarah dingin, dan karenanya suhu lingkungan merupakan indikator yang sangat penting bagi mereka. Di koloni bawah tanah mereka, suhunya lebih rendah (19–28 °)) daripada thermoneutrality (31–34 ° ). Ketika individu terakumulasi di daerah koloni yang sama pada suhu termoneutral, konsumsi O 2 dan permintaan metabolisme menurun dengan peningkatan jumlah individu. Ini mungkin disebabkan oleh kurangnya peningkatan ventilasi (yang disebabkan oleh hiperkapnia, yaitu keracunan CO 2 ) pada spesies ini. Akibatnya, akumulasi sejumlah besar individu di ruang kecil koloni dapat sangat berguna untuk termoregulasi dan untuk konservasi energi.

Adaptasi excavator untuk meningkatkan CO 2di udara dimanifestasikan oleh kelangsungan hidup yang lama di bawah hiperkapnia ekstrim, tidak adanya reaksi perilaku dan pernapasan yang khas dalam kondisi seperti itu, penurunan sensitivitas persimpangan celah saraf (kontak antar sel) terhadap CO 2 , dan juga ketidakpekaan terhadap asam tertentu.

Totalitas adaptasi di atas dan fakta bahwa orang dewasa memiliki volume otak yang lebih rendah dari yang diharapkan dan jumlah neuron menunjukkan kemampuan tikus mol telanjang untuk membatasi konsumsi energi otak. Habitat spesies ini hanya berkontribusi pada penghematan energi karena meningkatnya hiperkapnia, yang mengurangi aktivitas neuron. Konfirmasi tambahan bahwa hiperkapnia menekan rangsangan saraf adalah efek antikonvulsan CO 2 yang kuatpada tikus dan manusia.

Berdasarkan data di atas, para ilmuwan telah menyarankan bahwa menjaga otak dalam keadaan hiperkapnis kronis mempromosikan pemilihan gen yang menghemat energi, menghilangkan mekanisme lain untuk mempertahankan nada penghambatan.

Otak mamalia bekerja dekat dengan batas teoritis konsumsi energi, dengan sebagian besar digunakan untuk mempertahankan kekuatan motif ionik yang diperlukan untuk mengirimkan sinyal listrik. Dengan demikian, perubahan fungsi dan pola ekspresi saluran ion dan pembawa dapat terjadi pada excavator untuk melindungi neuron selama krisis energi.

Proses konsumsi energi penting dalam otak mamalia adalah ekstrusi intraneuronal Cl oleh co-transporter kationik klorida KCC2 (protein). Sebagai transporter sekunder-aktif, KCC2 secara tidak langsung mengkonsumsi ATP * untuk ekstrusi energi Cl-through yang disimpan dalam gradien * K + yang dihasilkan oleh Na + / K + -ATPase * .
ATP * (adenosin trifosfat) adalah sumber energi universal untuk semua proses biokimia.
Gradien elektrokimia * - kombinasi gradien konsentrasi dan potensial membran, yang menentukan arah pergerakan ion melalui membran.
Na+/K+--* (- ) — , + , Na+ .
KCC2, sebagai suatu peraturan, ditekan selama krisis energi [36], dan penghambatan transportasi bersama kation-klorida meningkatkan pemulihan ATP setelah kekurangan oksigen-glukosa.

Pada mamalia yang khas, kemampuan GABA untuk hiperpolarisasi neuron dan menghambat aktivitasnya tergantung pada regulasi positif dari pengembangan KCC2, yang mengarah pada penurunan konsentrasi neuron Cl.

Fungsi abnormal KCC2 dapat mengganggu pensinyalan GABA dan dapat dikaitkan dengan kejang dan gangguan perkembangan sistem saraf, seperti epilepsi, autisme, dan skizofrenia.

Selama studi ini, para ilmuwan mengamati koloni tikus mol telanjang di bawah kondisi laboratorium yang terkendali. Selama pengamatan, diketahui bahwa masing-masing anggota koloni menghabiskan banyak waktu di sarang (bagian tengah koloni), di mana terdapat peningkatan kadar CO 2 .

Patut dicatat juga bahwa ekskavator telah menunjukkan kerentanan terhadap alkalosis * hypocapnic , yang memanifestasikan dirinya sebagai kejang kejang di lingkungan yang meniru kondisi di atas tanah.
Alkalosis hypocapnic (pernapasan / pernapasan) * - peningkatan pH darah yang terjadi karena hiperventilasi paru-paru, menyebabkan pengangkatan CO 2 secara berlebihan .
Analisis genom tikus mol telanjang menunjukkan mutasi spesifik-spesies dari titik histidin pada ekson 22, wilayah regulasi KCC2 yang sangat konservatif.

Menariknya, mutasi serupa ditemukan pada orang dengan kejang demam, epilepsi umum idiopatik, gangguan spektrum autisme dan skizofrenia.

Sesuai dengan penurunan fungsi KCC2 pada tikus mol telanjang, penurunan efisiensi penghambatan GABA diamati, yang memanifestasikan dirinya sebagai peluncuran kejang pada orang dewasa pada suhu kamar dengan diazepam. Kejang ini diblokir atau dibalik jika tingkat CO 2 naik ke apa yang diamati di sarang koloni.

Hasil penelitian


Selanjutnya, kami mempertimbangkan data yang diperoleh dalam percobaan praktis, pengamatan dan perhitungan.

Koloni buatan dibuat untuk penggali eksperimental yang dilengkapi dengan sensor, khususnya transponder RFID (identifikasi frekuensi radio). Sensor menunjukkan bahwa sebagian besar aktivitas terjadi dalam kamera yang sama (soket), lokasi yang berubah secara berkala. Dengan kata lain, ada beberapa kamar (sarang) di koloni, sebagian besar kegiatan berlangsung di satu kamar, oleh karena itu individu pindah ke kamar lain ( 1A ).


Gambar No. 1

Sensor juga menunjukkan bahwa semua individu berada di dalam sarang, saling menempel dan hanya sesekali meninggalkan sarang untuk mengunjungi ruang "toilet".

Terlepas dari kasta (ratu, peniru laki-laki, pembangun, tentara) atau waktu hari, semua individu menghabiskan sebagian besar waktu di dalam sarang - 70% dari waktu selama 26 hari pengamatan. Pada saat yang sama, seperti yang diharapkan, ratu dan jantannya menghabiskan lebih banyak waktu di sarang dibandingkan dengan kasta lainnya ( 1B ).


Aktivitas subyek eksperimental dalam koloni buatan.

Pengukuran kandungan CO 2 di 96 kamar di 5 koloni yang berbeda menunjukkan perubahan tajam pada CO 2 tergantung pada tujuan ruangan. Jadi, ruang toilet menunjukkan nilai minimum peningkatan CO 2 0,05% (volume), dan ruang bersarang menunjukkan 2,33%.

Ruang bersarang dari setiap koloni secara konstan menunjukkan tingkat CO 2 tertinggi (1,15% ± 0,41%, n = 8), diikuti oleh ruang tempat makanan ditempatkan setiap hari (0,49 ± 0,13%, n = 5). Gambar 1C menunjukkan kondisi koloni TT-2 dengan nilai rata-rata CO 2 yang direkam untuk setiap ruang.

Dari pengamatan ini, dapat disimpulkan bahwa ekskavator menghabiskan sebagian besar waktunya di ruang CO 2 terkaya , meskipun suhu dan faktor lainnya identik.

Selanjutnya, perlu untuk menentukan apakah perilaku tersebut merupakan manifestasi dari toleransi terhadap CO 2 atau apakah excavator secara sadar memberikan preferensi ke kamar yang isinya lebih tinggi. Untuk tujuan ini, para peneliti telah melakukan tes di mana kamera, yang bukan pengingat soket CO 2 . Setelah 24 jam, CO 2 , udara kamar terkompresi (mengandung 0,04% CO 2 ), atau gas nitrogen murni (N 2 ) dimasukkan ke dalam ruang uji . Selain itu, dua koloni lagi diuji di dua koloni lain, tetapi dengan kandungan CO yang lebih tinggi.2 (2,5% atau 11%).

Memeriksa sensor aktivitas di pintu masuk ruang uji telah menunjukkan peningkatan mengunjungi ruang ini ketika diumpankan ke CO 2 tambahan . Saat memompa udara biasa atau N 2 , tidak ada peningkatan kehadiran kamera ( 1D ).

Tes serupa dilakukan dengan kamera yang bertindak sebagai sarang potensial. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sebagian besar waktu sebagian besar individu ditemukan di dalam ruangan di mana diberi CO 2 . Ketika pasokan karbon dioksida dihentikan, para penggali secara damai memindahkan sarang mereka ke kamar kedua dengan persentase CO 2 .

Kombinasi dari pengamatan ini dengan jelas menunjukkan bahwa kandungan CO 2 yang tinggi (tetapi bukan gas lain, misalnya N 2 ) meningkatkan kehadiran tempat yang sesuai. Itu sampai pada titik bahwa penggali membuat sarang di mana, secara logis, mereka tidak boleh melakukan ini, hanya karena ada lebih banyak CO 2 di bagian ini . Mereka membuat sarang di dekat kamar di mana gas disuplai, dan setelah penghentian pasokan, mereka segera pindah ke kamar pasokan itu sendiri.


Image No. 2

Seperti yang Anda ketahui, ekskavator tidak suka berjalan di udara terbuka, lebih memilih menghabiskan seluruh hidup mereka di bawah tanah. Selama penelitian, diputuskan untuk menguji hipotesis secara eksperimental bahwa ekskavator tidak mentolerir panas dengan kandungan CO 2 yang rendahlingkungan seperti permukaan.

Orang dewasa ditempatkan di bilik dengan ketentuan sebagai berikut: sarang - 2,5% CO 2 /21% O 2 / 76,5% N 2 pada 32 ° C; lingkungan ruangan: 0,04% CO 2 /21% O 2 / 78,96% N 2 pada 20 ° C dan lingkungan simulasi dengan suhu udara 42 ° C.

Tingkat respirasi yang diukur dalam tes ini menunjukkan efek langsung dari kondisi lingkungan pada kondisi excavator. Laju pernapasan meningkat dua kali lipat pada individu yang berada dalam media simulasi ( 2A ).

PH dan tekanan parsial CO 2 dalam darah para penggali bervariasi dari asidosis respiratorik *dalam kondisi tiruan dari sarang ke alkalosis hypocapnic relatif dalam kondisi tiruan kondisi di permukaan ( 2B ).
Asidosis respiratorik * - perubahan keseimbangan asam-basa tubuh ke arah peningkatan keasaman (penurunan pH) yang disebabkan oleh hipoventilasi atau inhalasi udara dengan kandungan karbon dioksida yang tinggi.
Hiperventilasi sering disertai dengan periode peningkatan aktivitas motorik di lingkungan permukaan yang disimulasikan. Kegiatan ini biasanya surut setelah sekitar 10 menit. Pada 9 dari 10 individu yang terpapar pada kondisi permukaan, tanda-tanda aktivitas kejang muncul setelah penghentian hiperaktivitas, rata-rata 14,4 ± 1,2 menit setelah suhu dalam bilik mencapai 42 ° C. Suhu tubuh subjek percobaan rata-rata 41,7 ± 0,6 ° C.

Gambar 2C menunjukkan catatan representatif dari kortikal electroencephalogram (EEG) dari aktivitas kejang selama paparan kondisi permukaan (0,04% CO 2 /21% O 2 / 78,96% N 2 pada 42 ° C).

Aktivitas konvulsif berhenti ( 2D ) ketika udara dari ruang "sarang" (2,5% 2 /21% 2 / 76,5% N 2 ) mulai dipompa ke dalam ruangan dengan kondisi lingkungan .

Peningkatan laju pernapasan dan pH darah yang diukur pada tikus mol telanjang di bawah kondisi permukaan ( 2A dan 2B ) menunjukkan bahwa alkalosis pernapasan adalah penyebab utama serangan, mirip dengan kejang yang diamati pada anak-anak dan pada tikus / tikus dalam kondisi serupa .

Pada tikus dan tikus, kerentanan terhadap kejang yang disebabkan oleh alkalosis otak menurun pada minggu ketiga kehidupan. Hal ini disebabkan oleh peningkatan regulasi KCC2 dan pematangan pensinyalan GABA berikutnya.

Pada manusia, KCC2 dikodekan oleh gen SLC12A5. Baru-baru ini para ilmuwan menemukan bahwa mutasi arginin * dan histidin * di wilayah 952 KCC2b manusia, yang terletak di wilayah peraturan sangat terkonsentrasi yang dikodekan oleh exon 22, dikaitkan dengan kejang demam.
Histidine * adalah asam amino alpha heterosiklik, yang merupakan salah satu dari dua asam amino esensial bersyarat.

Arginin * adalah asam alfa amino alfa dasar, yang merupakan salah satu dari dua asam amino esensial bersyarat.
Sebuah studi tentang genom tikus mol telanjang mengungkapkan histidin sebagai mutasi spesifik spesies dalam gen * penyandi gen KCC2.
Gen ortologis * - gen yang dalam berbagai spesies telah berevolusi dari pendahulu bersama.


Gambar 3:

Mutasi titik spesifik spesies KCC2, diidentifikasi pada tikus mol telanjang, dapat memiliki efek yang kuat pada fisiologi neuron. Studi overekspresi KCC2-H952 manusia pada neuron hippocampal dan neokortikal menunjukkan bahwa histidin pada posisi ini mengurangi ekspresi KCC2 dalam membran plasma neuron. Hal ini menyebabkan penurunan kemampuan neuron untuk mengusir Cl - .

Untuk menyelidiki kemampuan neuron kortikal penggali dan tikus untuk mengusir Cl -, analisis reseptor GABAA dilakukan dengan menggunakan metode fiksasi potensial lokal. Metode ini memungkinkan Anda mempelajari sifat-sifat saluran ion dengan mengisolasi fragmen membran sel menggunakan mikropipet. Ini memungkinkan Anda untuk mengontrol perbedaan potensial antara sisi-sisi membran. Data yang diperoleh dengan metode ini memungkinkan kami untuk memperkirakan tingkat konsentrasi intraseluler Cl - .


Gambar No. 4

Analisis mengkonfirmasi bahwa pada tikus mol telanjang, kemampuan neuron untuk mengusir Cl- secara signifikan lebih rendah daripada pada tikus ( 4A ).

Selanjutnya, para ilmuwan memutuskan untuk memeriksa apakah obat antikonvulsan potensial-GABA standar (diazepam) dapat memblokir kejang yang disebabkan oleh hipertermia pada tikus mol dewasa.

Anehnya, diazepam tidak hanya tidak mencegah kejang-kejang, tetapi juga memperburuk mereka. Suntikan 1 atau 5 mg / kg diazepam (intraperitoneal) untuk jantan dewasa dan penggali betina (beratnya 25 hingga 57 g, suhu sekitar 20 atau 32 ° C) menyebabkan kram motor pada 10 dari 10 hewan. Waktu kejang biasanya kurang dari 5 menit setelah injeksi diazepam 5 mg / kg (n = 5) dan lebih dari 20 menit setelah 1 mg / kg diazepam (n = 5).

EEG dari dua subjek uji selama injeksi menunjukkan bahwa kram memang disertai kejang kortikal ( 4B ). Dengan diperkenalkannya 0,5 mg / kg diazepam, kejang tidak diamati, sebaliknya ada peningkatan aktivitas.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat dalam laporan para ilmuwan danbahan tambahan untuk itu.

Epilog


Dalam studi ini, para ilmuwan menemukan bahwa tikus mol telanjang, hidup hampir sepanjang hidup mereka dalam kondisi dengan kandungan CO 2 yang tinggi , tidak hanya kebal terhadap ini, tetapi sebenarnya membutuhkannya.

Rahasianya terletak pada KCC2, yang merupakan transporter klorida, mis. itu mengontrol jumlah klorida di dalam neuron. Sebagai aturan, pada mamalia, klorida di neuron sentral dijaga tetap rendah. Ketika GABA bersentuhan dengan neuron, yang terakhir mengambil klorida, yang menghalangi aktivitas neuron.

Penurunan aktivitas neuron sangat penting untuk organisasi pekerjaan mereka. Namun, pada excavator dan orang-orang dengan mutasi KCC2, efisiensi penghilangan klorida dari neuron berkurang. Oleh karena itu, penghambatan aktivitas tidak terjadi seperti yang diharapkan.

Excavator menangani masalah ini dengan sangat tidak biasa, menggunakan karbon dioksida. Jika kandungan CO 2 di udara terlalu rendah, otak mereka tidak akan bisa berfungsi dalam ritme normal, yang akan memanifestasikan dirinya dalam bentuk kejang.

Karya ini tidak hanya memungkinkan seseorang untuk lebih memahami evolusi makhluk unik seperti tikus mol telanjang, tetapi juga dapat membantu dalam bekerja dengan mutasi KCC2 pada orang yang menyebabkan kejang dan pengembangan epilepsi umum umum, skizofrenia dan autisme.

Jumat off-top:

.


Terima kasih atas perhatian Anda, tetap penasaran dan selamat berakhir pekan, semuanya! :)

Sedikit iklan :)


Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman Anda VPS berbasis cloud untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server entry-level yang diciptakan oleh kami untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps mulai dari $ 19 atau cara membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas c menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?

More articles:


All Articles