Temperaturveränderungen beeinflussen die Bewegungsrhythmen von Krabben

Viele Bewegungen bei Tieren, wie Atmen, Gehen und Schwimmen, haben Muster, die sich je nach Geschwindigkeit und Timing ändern können. Wie diese Bewegungen getimt sind und wie schnell sie ablaufen, ist entscheidend für ihre Effektivität. Manche Systeme halten ein konstantes Timing bei verschiedenen Geschwindigkeiten, während andere Timing und Geschwindigkeit zusammen anpassen. Wenn diese Systeme die Geschwindigkeit ändern, geschieht das normalerweise ganz sanft. Manchmal ist das aber nicht der Fall. Änderungen können manchmal unerwartet auftreten und das Gegenteil von dem bewirken, was normalerweise passiert.

Im Nervensystem helfen bestimmte Zellen, die rhythmische Neuronen genannt werden, sowie Muskeln dabei, sich wiederholende Bewegungen zu erzeugen. Ein spezifischer Strom, bekannt als Ih, spielt eine Rolle dabei, diese rhythmischen Aktivitäten zu erzeugen. Dieser Strom wird aktiviert, wenn die Zelle weniger geladen ist, und ermöglicht der Zelle, wieder zu feuern, nachdem sie ruhig war. Während einige Bewegungen von den Muskeln selbst gesteuert werden, hängen andere von Neuronalen Netzwerken ab, um richtig zu funktionieren.

Obwohl Ih für die Rhythmusgenerierung wichtig ist, gibt es unterschiedliche Wege, ähnliche Bewegungsmuster je nach verschiedenen Bedingungen zu erreichen. Die Eigenschaften der Zellen und die Verbindungen zwischen ihnen können in einer Situation gut funktionieren, aber in einer anderen versagen. Studien zeigen, dass unterschiedliche Kombinationen von Eigenschaften unter bestimmten Bedingungen ähnlich abschneiden können, aber möglicherweise weniger effektiv sind, wenn sich die Situation ändert. Da Ih für viele rhythmische Aktivitäten wichtig ist, lohnt es sich zu untersuchen, wie sich seine Rolle ändern könnte, wenn sich die Bedingungen ändern.

Um das zu untersuchen, schauten die Forscher sich den pylorischen Rhythmus von Krabben, speziell Cancer borealis, an und wie er auf Temperaturänderungen reagiert. Dieses rhythmische Muster hilft der Krabbe, Nahrung zu filtern. Die Frequenz dieses Rhythmus wird von einer kleinen Gruppe von miteinander verbundenen Neuronen kontrolliert. Krabben reagieren auf Temperaturänderungen in ihrer Umgebung, und die Frequenz des pylorischen Rhythmus steigt mit steigender Temperatur. Während sich die Frequenz ändert, bleibt das Timing relativ konstant. Frühere Studien haben gezeigt, dass Ih mit steigender Temperatur zunimmt, aber es ist unklar, ob das für das normale Funktionieren des Systems entscheidend ist.

Um die Rolle von Ih bei Temperaturänderungen zu untersuchen, verwendeten die Forscher ein bestimmtes chemisches Mittel, Cäsiumionen, um diesen Strom zu blockieren und beobachteten, wie sich das auf den pylorischen Rhythmus auswirkte. Das brachte einige Überraschungen in Bezug darauf, wie sich die Frequenz bei schnellen Temperaturänderungen veränderte.

#Methoden

#Blockieren von Ih mit Cäsium

Um den Ih-Strom in den Neuronen der Krabben bei unterschiedlichen Temperaturen zu blockieren, fügte das Forschungsteam 5 mM Cäsiumchlorid (CsCl) ins Wasser um die Krabben hinzu. Dann bestätigten sie seine Wirksamkeit, indem sie den Strom in den Neuronen an den beiden Temperaturgrenzen, 11 °C und 21 °C, massen. Indem sie die Zellen bei einer bestimmten Spannung hielten und eine Reihe kleiner Spannungsschritte anwendeten, konnten sie sehen, wie sich der Ih-Strom veränderte, als Cäsium vorhanden war.

Bei 11 °C war der Ih-Strom erheblich reduziert, wenn CsCl vorhanden war. Ähnlich war dieser Strom auch bei 21 °C niedriger mit der Anwesenheit von Cs+. Diese Ergebnisse deuteten darauf hin, dass Cs+ den Ih-Strom in den getesteten Neuronen effektiv blockierte.

#Beobachtung von Änderungen in der pylorischen Frequenz

Die Forscher überwachten die pylorische Aktivität der Krabben, während sie die Temperatur des umgebenden Wassers schrittweise erhöhten. Sie zeichneten die Frequenz des pylorischen Rhythmus bei verschiedenen Temperaturen auf, zuerst in normaler Kochsalzlösung und danach nach Zugabe von Cs+, um zu sehen, wie das Blockieren von Ih die Frequenzreaktion verändern würde.

Es wurde festgestellt, dass die Frequenz des pylorischen Rhythmus in normalen Bedingungen mit steigender Temperatur zunahm. Als Cs+ hinzugefügt wurde, war die Frequenz jedoch geringer im Vergleich zu dem Zustand mit nur Kochsalzlösung. Dieser Effekt war bei höheren Temperaturen ausgeprägter, was darauf hindeutet, dass das Blockieren von Ih beeinflusste, wie der Rhythmus auf Temperaturänderungen reagierte.

Zusammengefasst erhöhte sich bei steigender Temperatur die Frequenz des pylorischen Rhythmus in normalem Kochsalz, aber weniger stark in Anwesenheit von Cs+. Die Forscher stellten auch fest, dass die Frequenzreaktion in Cs+ nicht nur glatt verlief; manchmal nahm sie sogar ab, als die Temperatur stieg, was unerwartet war.

#Dynamische Frequenzreaktion

Die ungewöhnliche Entdeckung, dass die Frequenz abnehmen konnte, als die Temperatur zunahm, wurde durch spezifische Beispiele weiter veranschaulicht. In normaler Kochsalzlösung stieg die Frequenz mit steigender Temperatur gleichmässig an. Im Gegensatz dazu konnte es während des Temperaturanstiegs mit Cs+ zunächst zu einem Rückgang der Frequenz kommen, bevor sie stieg, sobald sich die Temperatur stabilisierte.

Bei der Auswertung der Daten fand man heraus, dass in den meisten Versuchen die Häufigkeit eines Frequenzrückgangs bei steigendem Temperaturanstieg in Anwesenheit von Cs+ viel höher war als unter normalen Bedingungen.

#Auswirkungen auf Phasenbeziehungen

Die Forschung betrachtete auch, wie das Timing der neuronalen Aktivität, die Phasenbeziehungen genannt wird, sich veränderte, als Ih blockiert wurde. Die Forscher fanden heraus, dass die Zeit, die ein Neuron brauchte, um das Feuern einzustellen, in Anwesenheit von Cs+ etwas kürzer war. Die Zeitintervalle zwischen dem Feuern verschiedener Neuronen änderten sich ebenfalls, wobei einige kürzer wurden, als man erwartet hatte.

Als die Temperaturen erhöht wurden, rückte das Timing der neuronalen Aktivität in Cs+ mehr vor, was bedeutete, dass die übliche Timing-Struktur verändert wurde. Diese Vorverlagerung könnte zu Änderungen führen, wie effizient der pylorische Rhythmus funktioniert, wenn sich die Umgebung ändert.

#Fazit

Insgesamt zeigte die Untersuchung, dass der Ih-Strom eine entscheidende Rolle dabei spielt, wie das Nervensystem der Krabbe auf Temperaturänderungen sanft und effizient reagiert. Ohne diesen Strom könnten die Reaktionen unberechenbar und weniger effektiv sein. Die Ergebnisse zeigten, dass das Blockieren von Ih zu einer komplexeren Reaktion auf Temperaturänderungen führte, mit unerwarteten Frequenzabnahmen zuweilen.

Durch die Verwendung von Cs+, um Ih zu blockieren, wurden die Dynamiken, wie der pylorische Rhythmus mit Temperaturänderungen interagierte, ans Licht gebracht und bieten neue Einblicke in die zugrunde liegenden Mechanismen der motorischen Kontrolle bei Tieren. Die Studien hoben die Bedeutung von Ih nicht nur bei der Erzeugung rhythmischer Aktivität hervor, sondern auch bei der Aufrechterhaltung stabiler Reaktionen unter variierenden Bedingungen. Dieses Verständnis könnte breitere Implikationen dafür haben, wie wir motorische Muster bei anderen Tieren und die zugrunde liegenden neuronalen Schaltkreise, die sie steuern, betrachten.