Projekti / Programi
Filiformne senzile stenice Pyrrhocoris apterus: modelni sistem za biofizikalne in fiziološke raziskave mehanorecepcije
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.03.01 |
Naravoslovje |
Biologija |
Zoologija in zoofiziologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| B360 |
Biomedicinske vede |
Živalska fiziologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.06 |
Naravoslovne vede |
Biologija |
filiformne senzile, Pyrrhocoris apterus, zunajcelična registracija, živčni impulzi, mehanorecepcija, mehansko občutljivi ionski kanali, mehanotransdukcija, senzorična adaptacija, generator živčnih impulzov, matematični model, časovni potek membranskega potenciala, spontana aktivnost, aktivna mehanska ojačitev signala, neinvazivne metode
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
24293 |
dr. Aleš Škorjanc |
Biologija |
Vodja |
2011 - 2013 |
42 |
Organizacije (1)
Povzetek
Razvoj genetskih orodij je v zadnjem času izjemno pospešil raziskave mehanorecepcije, pri čemer so pomembno vlogo odigrale žuželčje senzile. Ker so neposredne meritve na celicah mehanoreceptorjev pogosto nemogoče, se je sinteza matematičnega modeliranja in fizioloških poskusov pri tem izkazala za ključno. filiformne senzile stenice Pyrrhocoris apterus so zelo primeren modelni sistem za takšen pristop, saj je zaradi majhnega števila enot možno kontrolirano dražiti in registrirati aktivnost posamezne intaktne enote. V tem projektu bomo na osnovi natančno definiranih stimulacijskih protokolov, zunajcelično registriranih živčnih impulzov, matematičnega modeliranja in teoretične analize izdelali (1) MATEMATIČNI MODEL ČUTILNEGA PROCESA FILIFORMNIH SENZIL pri stenici P. apterus, ki bo omogočal vpogled v kvantitativne odnose med posameznimi elementi in fazami čutilnega procesa, ki sicer ni mogoč brez neposrednih meritev. Model bo imel 3 dele: transformacija odklona laska v deformacijo čutilnega dendrita (modeliranje s harmoničnim oscilatorjem, sklopljenim z nelinearno vzmetjo), transdukcija mehanskega dražljaja v receptorski tok (modeliranje s standardnim dvostopenjskim modelom mehansko občutljivi kanalov), transformacija receptorskega toka v živčne impulze (modeliranje s fenomenološkim modelom adaptacije generatorja impulzov, ki ga definira frekvenčni odziv receptorja na standardizirane dražljaje). Iz optimiziranih parametrov modela bomo sklepali o poteku čutilnega procesa. Z metodo laserske vibrometrije bomo raziskali prisotnost AKTIVNEGA MEHANSKEGA OJAČANJA VHODNEGA SIGNALA, ki ga srečamo pri antenalnem slušnem organu vinske mušice, in nato ustrezno nadgradili model filiformne senzile. (2) RAZVILI BOMO PREPROSTO UNIVERZALNO METODO, S KATERO BOMO LAHKO REKONSTRUIRALI ČASOVNI POTEK MEMBRANSKEGA POTENCIALA na osnovi zunajcelične registracije impulzov in testnega dražljaja. S testnim dražljajem, s katerim bomo ciklično dražili spontano aktivno celico, bomo določili latenco odziva v različnih fazah intervala med dvema impulzoma. Naše preliminarne simulacije na standardnih modelnih nevrona kažejo, da je latenca linearno odvisna od relativne oddaljenosti membranskega potenciala od praga, pri katerem se sproži živčni impulz, zato je mogoče iz latenc določiti relativno vrednost membranskega potenciala. Metodo bomo testirali in vitro z znotrajceličnimi meritvami membranskega potenciala možganskih piramidalnih celic 5. kortikalnega sloja pri mladih podganah. Metoda bo omogočala ugotavljanje integracijskega režima membranskega potenciala, ter preučevanje potencialnih adaptacijskih mehanizmov in stopnje šuma receptorskega toka pri različnih tipih senzil. Omogočala bo tudi ugotavljanje podpražnega in nadpražnega režima proženja živčnih impulzov, ki je pomembno za razumevanje kodiranja informacije v prisotnosti šuma. Razvoj takšne metode pa bo imel tudi širše implikacije, saj jo bo mogoče uporabiti tudi za preučevanje številnih drugih celic. (3) DOLOČILI BOMO LASTNOSTI SPONTANE AKTIVNOSTI FILIFORMNIH SENZIL pri različnih vrstah stenic. Raziskave spontane aktivnosti ostajajo povsem zapostavljene, čeprav je prisotna pri številnih čutilnih in živčnih celic. Eno od presenetljivih odkritij pri stenicah P. apterus je izjemno natančno reguliran absolutni nivo aktivnosti pri posameznih tipih senzil. S primerjavo spontane aktivnosti pri različnih morfah P. apterus in pri osebkih s širšega evropskega področja ter med različnimi vrstami stenic bomo ugotovili, če je ohranjanje nivoja aktivnosti na specifičnem absolutnem nivoju generalen princip. To bi postavilo funkcijo spontane aktivnosti v povsem novo luč in dalo osnovo ter zagon za nadaljnje raziskave njenih mehanizmov.
Pomen za razvoj znanosti
Raziskave mehanorecepcije so postale z razvojem molekularne biologije ponovno zelo aktualne. Pri tem so pomembno vlogo odigrale žuželčje senzile. Kljub napredku pa je razumevanje osnovnih mehanizmov čutilnega procesa senzil še zmeraj nepopolno. V okviru tega projekta smo zato izdelali integrativno študijo filiformnih senzil stenice Pyrrhocoris apterus. Razvili smo matematični model senzile, ki pojasnjuje nelinearnosti v njenem odzivu ter izvor hitre in počasne čutilne adaptacije. Eksperimentalno smo pokazali, da je položaj senzil na zadku stenice optimiziran za čim bolj učinkovito detekcijo zračnega toka ter da je fiziološki odziv senzile prilagojen visokofrekvenčnim lastnostim sklopitve zračnega toka in čutilnega laska. Pokazali smo tudi, da je spontana aktivnost senzile natančno reguliran čutilni proces ter da nivo aktivnosti igra pomembno vlogo v funkciji senzile, kar do sedaj ni bilo znano. Razvili pa smo tudi novo elektrofiziološko metodo, ki omogoča rekonstrukcijo časovnega poteka membranskega potenciala živčne ali čutilne celice na osnovi zunajcelične registracije živčnih impulzov. Z rezultati tega projekta smo tako pripomogli k reševanju nekaterih problemov detekcije mehanskega dražljaja, filiformne senzile stenice P. apterus pa smo uvedli v raziskave mehanorecepcije kot potencialni modelni sistem.
Pomen za razvoj Slovenije
Stenice so velika skupina žuželk, med katerimi so tudi vrste, ki v Sloveniji povzročajo ekonomsko škodo na gojenih rastlinah. V boju proti škodljivcem postajajo z zavedanjem o nevarnosti uporabe insekticidov vse pomembnejša druga sredstva. Ena od možnih strategij boja proti stenicam je razvoj obrambnih sredstev na osnovi imitacije signalov, ki jih oddajo njihovi naravni sovražniki. V okviru tega projekta smo izmerili mehanske lastnosti filiformnih senzil in frekvenčne lastnosti njihove sklopitve z zračnim tokom. Ugotovili smo, da se le-te ujemajo s frekvenčnimi lastnostmi zračnih oscilacij, ki jih ustvarjajo nekateri naravni sovražniki stenic. Verjamemo, da bi lahko ti izsledki pripomogli k razvoju novih obrambnih sredstev na osnovi mehanskih dražljajev. Uspeh tega podoktorskega projekta, ki ima širše implikacije za slovensko družbo, pa je tudi ustanovitev mednarodne poletne šole za študente "Sensory systems in natural environments". Šolo sva ustanovila s prof. Janom Bendo (Univerza v Tübingenu) leta 2012, leta 2013 pa se je šoli pridružil še prof. Michael Gebhardt (Tehniška univerza v Münchnu). Namen šole je vpeljati študente v raziskave nevrobiologije. Tema šole so čutilni sistemi žuželk s poudarkom na razumevanju njihove interakcije z naravnimi dražljaji, ki so pogojevali razvoj njihovih specifičnih lastnosti. Šola poteka 3 tedne, in sicer dva tedna v Sloveniji in en teden v Nemčiji. Šola študentom omogoča pridobivanje znanj iz biofizike in fiziologije čutilnih sistemov, elektrofizioloških metod, analize signalov ter matematičnega modeliranja procesov. Poleg tega študentje spoznajo, kako poteka delo na tujih univerzah, in vzpostavijo poznanstva, ki so zelo pomembna za razvoj kariere v znanosti. Šola je v letu 2013 postala del rednega študijskega programa biologije ter poleg izobraževanja mladih znanstvenikov zagotavlja tesno sodelovanje med Univerzo v Tübingenu, Tehniško univerzo v Münchnu ter Univerzo v Ljubljani.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
celotno poročilo na dLib.si
