Закрой глаза. Повернись. Даже не открывая глаз, вы, вероятно, все еще знаете, в каком направлении вы смотрите. Чтобы лучше понять, как мозг поддерживает это чувство ориентации, исследователи из Рокфеллеровского университета изучают головы мух размером с кунжутное семя.
Их недавние эксперименты, описанные 22 мая в журнале Nature, определили нейронную схему, которая обновляет внутренний компас мухи по мере того, как насекомое поворачивается, - первый подобный механизм, задокументированный для любого животного.
«Как и людям и многим другим животным, мухе нужно ориентироваться», - говорит Габи Маймон, глава Лаборатории интегративных функций мозга.«Их маленький мозг, наряду с передовыми методами визуализации и управления нейронной активностью мух, позволил нам выявить важный аспект навигации».
Подталкивание иглы
После добывания пищи многие насекомые возвращаются в улей, гнездо или колонию. Это предприятие требует, чтобы животное отслеживало свое положение в пространстве, точно так же, как человек, идущий домой, или крыса в лабиринте. Ученые только начинают понимать механизмы, с помощью которых мозг жука или любой мозг, если уж на то пошло, достигает этого.
Предыдущая работа с плодовыми мушками выявила набор нейронов, которые действуют как стрелка компаса, производя вращающийся сигнал, который можно использовать для навигации. В отличие от обычного компаса, физическая стрелка которого указывает на магнитный север, активность этих нейронов представляет собой угол, под которым летит муха относительно ориентиров в ее окружении или относительно ее предыдущего направления, если она перемещается в темноте.
Команда Маймона под руководством Джонатана Грина, аспиранта лаборатории, обнаружила вторую группу нейронов, которые перемещают стрелку компаса мухи по часовой стрелке или против часовой стрелки, чтобы отслеживать повороты мухи на основе собственных движений животного.
Грин впервые заподозрил, что эти нейроны, называемые P-EN, могут иметь какое-то отношение к навигации, когда он обнаружил, что может совершать повороты, стимулируя их. Находящиеся глубоко в мозгу мухи P-EN переплетаются с игольчатыми нейронами. Когда муха поворачивается, два набора нейронов производят сигналы, которые движутся синхронно, вращаясь влево, когда муха поворачивает вправо, и наоборот.
Отслеживание перемещений
Чтобы лучше понять, что происходит, Грин прикрепил мух к платформе микроскопа таким образом, чтобы он мог регистрировать активность непосредственно из мозга животных. Между тем, мухи могли двигать ногами, идя по мячу, который отслеживает их движения.
Исследователи увидели, что по мере того, как муха поворачивалась, P-EN по одну сторону от сигнала компаса становились более активными, подталкивая сигнал влево или вправо. В результате сигнал вращается вместе с поворотом мухи. Эта система точно откалибрована: чем быстрее поворачивается мушка, тем активнее становятся P-EN и тем быстрее вращается стрелка.
Эта информация от P-EN становится незаменимой в темноте. Когда исследователи выключили свет и деактивировали эти нейроны, внутренний компас мухи больше не мог точно отслеживать повороты насекомого.
«Похоже, что P-EN обновляют внутренний компас, основываясь на собственных движениях мухи, а не на ориентирах в окружающей среде - так же, как вы сохраняете некоторое чувство ориентации даже в темной комнате», - говорит Грин..
Работая параллельно с Грином и Маймоном, другая группа, базирующаяся в кампусе Джанелии Медицинского института Говарда Хьюза, также обнаружила P-EN. Их результаты были одновременно описаны в eLife.
Хотя эта схема для обновления представления мухи об ее угловой ориентации была обнаружена недавно, она выглядела знакомой. То, как P-EN взаимодействует с сигналом компаса в мозгу мухи, очень похоже на систему, которая, как показали исследования, существует в более сложном мозге крысы, еще одного животного, используемого для изучения навигации.
«Это сходство предполагает, что наши результаты, вероятно, имеют отношение к пониманию пространственного мышления в более крупных мозгах млекопитающих, включая, возможно, и наш собственный», - говорит Маймон.