Насекомые демонстрируют множество видоспецифических врожденных форм поведения (инстинктивное поведение). Например, рабочая пчела, которая нашла цветочный нектар, демонстрирует виляющие танцы в форме 8, возвращаясь в свой улей. Самец бабочки, обнаруживший половой феромон, летает в поисках самки. Остается ряд вопросов о том, как различные врожденные формы поведения генерируются функциями нейронных цепей в мозгу насекомого.
Чтобы получить полное представление о нейронных цепях и их функциях, ответственных за врожденное поведение, необходимо выявить нейронные цепи, которые активируются, когда имеет место врожденное поведение. Также требуется метод, который может управлять поведением насекомых, искусственно манипулируя активностью нейронных цепей.
Настоящая исследовательская группа из Канадзавского университета активно занимается исследованиями функций нейронных цепей, уделяя особое внимание генам, экспрессия которых происходит в зависимости от активности нейронов. Ранее группа идентифицировала ген фактора транскрипции Гормональный рецептор 38 (Hr38)1), который экспрессируется зависимым от нервной активности образом в мозге насекомых, и обнаружила, что этот ген является полезным маркером нервной активности.
В настоящем исследовании группа использовала плодовую мушку (Drosophila melanogaster), модельное насекомое, для создания генетически модифицированного штамма, точно отражающего паттерн экспрессии Hr38, и создала метод, который может специфически визуализировать активные нейроны с помощью пометив их зеленым флуоресцентным белком (GFP)2). Используя этот метод, они выявили полную картину нейронных цепей самца плодовой мушки в мозге и вентральном нервном тяже3), которые активировались, когда самец взаимодействовал с самкой. Известно, что определяющий пол ген бесплодия и двойного пола определяет пол нервных систем в головном мозге и вентральном нервном шнуре плодовой мушки и что эти гены ответственны за развитие нейронных цепей мужского и женского типов. В настоящем исследовании группа применила свой метод специально к нейронным цепям, которые выражают бесплодие или двойное половое поведение. Это выявило активные нейронные цепи в нейронных цепях мужского типа во время ухаживания. В результате группа обнаружила, что нейронный кластер aSP2 был активен именно тогда, когда самец мухи взаимодействовал с самкой, в дополнение к нейронным цепям, которые, как уже известно, важны для регуляции брачного поведения.
В дополнение к визуализации нейронных цепей, активируемых во время поведения, важно иметь возможность манипулировать активностью нейронных цепей желаемым образом, чтобы выявить функции нейронных цепей. Таким образом, группа создала штамм дрозофилы, который может в зависимости от активности экспрессировать CsChrismon, родопсин активируемого светом канала4) вместо GFP. Самцу мухи этого штамма давали испытать спаривание с самкой мухи; на следующий день, после удаления самки, освещался только самец. Самец мухи, хотя и в отсутствие какой-либо самки, демонстрировал изгиб брюшка, типичный для копулятивного поведения. Это указывает на то, что нейронные цепи, которые были активированы во время спаривания накануне, могут быть реактивированы светом днем позже.
Кроме того, группа проанализировала функции нейронного кластера aSP2 в поведении при спаривании. Детальный анализ ухаживания самцов мух, нейронная активность aSP2 которых была заторможена, показал, что самцы мух приближаются к самкам нормальным образом, но проявляют частые прерывания ухаживания; в результате вероятность успешного спаривания значительно снизилась. В ухаживании за плодовой мухой настойчивый динамичный подход самцов мух к самкам, которые поначалу могут сопротивляться, важен для принятия самками спаривания. Настоящий результат показывает, что нейронный кластер aSP2 играет важную роль в регуляции мотивации во время ухаживания.
Настоящее исследование впервые установило методы визуализации нейронных цепей в зависимости от активности у насекомых и управления их активностью. Эти методы должны быть применимы для выяснения нейронных цепей и их функций во врожденном поведении насекомых. Понимание нейронной основы врожденного поведения насекомых важно не только для фундаментальной науки, но и может помочь в таких приложениях, как эффективное использование полезных насекомых, таких как медоносная пчела и тутовый шелкопряд, избавление от вредных насекомых, предотвращение эпидемий таких болезней, как малярия, лихорадка денге, лихорадка Зика и т. д., передаваемые комарами. Это исследование определило нейронный кластер aSP2 как важную нейронную цепь для мотивации поведения насекомого. Ожидается, что дальнейшие исследования механизма того, как нейронная цепь aSP2 контролирует мотивацию, позволят выяснить фундаментальные механизмы регуляции врожденного поведения в мозгу насекомых.
Глоссарий
1) Гормональный рецептор 38 (Hr38) Один из ядерных орфанных рецепторов насекомых. Настоящая исследовательская группа идентифицировала этот ген, который экспрессировался в зависимости от нервной активности в мозге насекомых в 2013 году и может быть использован в качестве гена-маркера для нейронной активности.
2) Зеленый флуоресцентный белок Зеленый флуоресцентный белок (GFP) был первоначально обнаружен в светоизлучающей медузе Aequorea victoria доктором Осаму ШИМОМУРА, лауреатом Нобелевской премии по химии, в 2008 году. При освещении синим светом он излучает зеленая флуоресценция. Например, GFP широко используется для визуализации нервных клеток.
3) Вентральный нервный тяж Вентральный нервный тяж - это область нерва насекомых, соответствующая спинному мозгу позвоночных. Он существует в грудной клетке плодовой мушки, состоящей из нервных клеток для передачи сенсорной информации в мозг и команд мозга в мышцы.
4) Канал родопсина Канал родопсина представляет собой управляемый светом ионный канал, изначально обнаруженный в одноклеточных зеленых водорослях Chlamydomonas reinhardtii. Канал регулируется на открытие/закрытие светом, поэтому, когда он экспрессируется в нервных клетках, становится возможным регулировать нейронную активность светом.