Находясь глубоко внутри мозга плодовой мушки, специализированные нервные клетки связывают себя в крошечный компас. Новые результаты нейробиологов из Исследовательского кампуса Джанелия проливают свет на архитектуру этой цепи и нейронные силы, которые в совокупности двигают стрелку компаса.
В дополнение к раскрытию подробностей о том, как плодовые мушки перемещаются, результаты дают представление о более грандиозном и загадочном процессе: о том, как мозг создает и поддерживает внутренние картины внешнего мира. Эта возможность - «самое интересное для нас», - говорит Вивек Джаяраман, лидер группы Janelia.«Это окно в нечто, что граничит с познанием».
Структура мозга в форме пончика действует как внутренний компас плодовой мушки Drosophila melanogaster. Часть нервных клеток, образующих эту структуру, называемую эллипсоидным телом, играет роль стрелки компаса. Например, если муха меняет направление, участок активности нервных клеток тоже меняет направление, перемещаясь от клетки к соседней клетке вокруг пончика, когда муха поворачивается, сообщили Джаяраман и Йоханнес Силиг в журнале Nature в 2015 году. Силиг, бывший научный сотрудник Janelia с докторской степенью., в настоящее время является руководителем группы в Центре передовых европейских исследований и исследований в Бонне, Германия.
Теперь Джаяраман и его коллеги сделали еще один шаг, чтобы показать, как мозг мухи создает такую точную нейронную иглу.
Группа эллипсовидных нервных клеток тела, называемых нейронами E-PG, настраивает стрелку компаса, эффективно активируя соседние нейроны и подавляя более отдаленные нервные клетки, Джаяраман и его коллеги Сунг Су Ким, Эрве Руо и Шауль Дракманн, все ученые Janelia, сообщает 4 мая в журнале Science. Эта динамика - близкая активация и отдаленное подавление - помогают поддерживать единое, стабильное направление движения по компасу.
Но нейроны E-PG не действуют в одиночку, чтобы двигать стрелку компаса. Подобно кончикам пальцев, нежно лежащим на доске для спиритических сеансов, другая группа нервных клеток, называемая нейронами P-EN, перемещает иглу, сообщают исследователи 22 мая в eLife.
Нейроны P-EN образуют структуру в форме руля, которая находится над телом эллипсоида, где они могут отправлять сигналы нейронам E-PG и получать сообщения обратно. Расположенные на вершине кругового компаса, эти нейроны руля идеально расположены как для управления стрелкой компаса, так и для реагирования на ее движения. Это пространственное расположение, описанное нейроанатомом Джанелии Таней Вольф, подсказало исследователям, как может работать система. «Это одна из самых красивых вещей в этой конкретной трассе», - говорит Дракманн.«Имея эту интуицию по структуре того, как это может работать, это огромный импульс».
Исследователи изучали мух, генетически модифицированных таким образом, что определенные нейроны светились, когда они были активны. Даниэль Тернер-Эванс, исследователь из Джанелии, затем использовал сложный микроскоп, чтобы наблюдать за этой нервной активностью у мух, когда они ходили по мячу. Тернер-Эванс наблюдал свечение нейронов, указывающее на активность нейронов компаса E-PG. Но он также видел то, что, по-видимому, было нейронами P-EN, меняющими эту нейронную активность, когда мухи поворачивались. «Вы могли видеть взаимодействие, двухтактность системы», - говорит он.
Когда нейроны P-EN на руле обнаруживают, что муха повернулась, они посылают сигналы нейронам E-PG в компасе, чтобы слегка подтолкнуть стрелку в направлении поворота. «По сути, у вас есть набор марионеточных нитей, с помощью которых вы можете тем или иным образом управлять деятельностью», - говорит Джаяраман. Но это не улица с односторонним движением. Затем информация о текущем положении мухи возвращается к нейронам P-EN руля, сохраняя информацию обоих наборов нейронов о положении мухи.
Другие эксперименты, проведенные докторантом Джанелии Стефани Вегенер, показали, что некоторые отдельные нейроны P-EN реагируют, когда муха поворачивает направо, а другие реагируют, когда муха поворачивает налево. Тем не менее, исследователи подозревают, что некоторые неизвестные факторы, вероятно, усиливают навигационные способности мухи. «Мы ни в коем случае не пытаемся сказать, что понимаем, как все работает», - говорит Вегенер. «Мы довольно хорошо понимаем одну часть головоломки, но это довольно маленькая часть большой головоломки».
Больше подсказок исходит от группы нейробиолога Габи Маймон из Университета Рокфеллера в Нью-Йорке. В статье, опубликованной 22 мая в журнале Nature, он и его коллеги описывают навигационные роли, которые играют отдельные группы нейронов P-EN.
Джаяраман и его коллеги достигли быстрого прогресса благодаря уникальной атмосфере совместной работы в Джанелии, говорит он. «На самом деле вы можете иметь теоретиков в одной комнате, пока идет эксперимент, постоянно разговаривая с экспериментаторами», - говорит он.«Это чудесная вещь Джанеля, эта простота взаимодействия и сосредоточенность на сотрудничестве». Теоретическое понимание Руо и Дракманном того, как может работать система, было проверено экспериментами, которые дали результаты, которые исследователи использовали для уточнения теорий.
Использование как экспериментального, так и теоретического подхода должно помочь исследователям погрузиться в более глубокие вопросы о навигационной системе мухи. «Мы хотели бы знать общую картину», - говорит Джаяраман. "Как пользоваться этим компасом?"
У людей чувство направления является лишь одним из многих факторов, влияющих на принятие навигационных решений. Обычно человек может идти прямо, чтобы добраться до станции метро, но в жаркий день вместо этого он может пойти на рынок, чтобы выпить. Подобные факторы могут влиять на решения в мозгу плодовой мушки. «Мы представляем, что этот компас время от времени используется для некоторых вещей, которые делает муха», - говорит Джаяраман.
Он и его коллеги работают над способами изучения этих более сложных решений у плодовых мушек. Выяснение того, как плодовая мушка создает и использует модели своего окружения, может дать важные подсказки о том, как мы, люди, знаем, где мы находимся и куда двигаться дальше.