Phase response analyses support a relaxation oscillator model of locomotor rhythm generation in Caenorhabditis elegans

Abstract

Los circuitos neuronales se coordinan con los músculos y la retroalimentación sensorial para generar comportamientos motores adecuados al entorno de un animal. En C. elegans, los mecanismos por los cuales el circuito motor genera ondulaciones y las modula en función del entorno son en gran parte desconocidos. Analizamos cuantitativamente la locomoción de C. elegans durante el movimiento libre y durante la inhibición transitoria optogenética de los músculos. Los movimientos ondulatorios fueron altamente asimétricos con respecto a la duración de la flexión y desflexión durante cada ciclo. Las curvas de respuesta en fase inducidas por la breve inhibición optogenética de los músculos de la cabeza mostraron aumentos graduales y disminuciones rápidas en función de la fase en la que se aplicó la perturbación. Se desarrolló un modelo de oscilador de relajación basado en umbrales propioceptivos que cambian el momento del músculo activo, y se demostró que concuerda cuantitativamente con los datos del movimiento libre, las respuestas en fase y los resultados previos para la adaptación de la marcha a cargas mecánicas. Nuestros resultados sugieren un mecanismo neuromuscular subyacente a la generación del patrón motor de C. elegans dentro de un circuito compacto.

Neural circuits coordinate with muscles and sensory feedback to generate motor behaviors appropriate to an animal's environment. In C. elegans, the mechanisms by which the motor circuit generates undulations and modulates them based on the environment are largely unclear. We quantitatively analyzed C. elegans locomotion during free movement and during transient optogenetic muscle inhibition. Undulatory movements were highly asymmetrical with respect to the duration of bending and unbending during each cycle. Phase response curves induced by brief optogenetic inhibition of head muscles showed gradual increases and rapid decreases as a function of phase at which the perturbation was applied. A relaxation oscillator model based on proprioceptive thresholds that switch the active muscle moment was developed and is shown to quantitatively agree with data from free movement, phase responses, and previous results for gait adaptation to mechanical loadings. Our results suggest a neuromuscular mechanism underlying C. elegans motor pattern generation within a compact circuit.