Это исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Current Biology, открывает путь к систематическому исследованию нейронных вычислений, лежащих в основе сенсорной навигации в миниатюрном мозге.Работа является новым примером того, как системная биология позволяет ученым подходить к таким сложным вопросам, как функции мозга.Если банан гниет в корзине с фруктами на вашей кухне, скорее всего, плодовая муха обнаружит его задолго до вас.
Как нервная система крошечной мухи способна подниматься по запаху, оставленному бананом? Этот вопрос был рассмотрен в новом исследовании, проведенном лабораторией сенсорных систем и поведения под руководством Матье Луи из подразделения системной биологии EMBL-CRG CRG. Плодовая мушка Drosophila melanogaster — отличная модельная система для изучения того, как сложное поведение, такое как хемотаксис, контролируется активностью нейронных цепей.
Хотя слово нейробиология может вызывать у большинства из нас человеческий мозг, исследования на более мелких генетических модельных организмах часто представляют собой наиболее прямую точку входа в нейронные функции молекулярной и клеточной основы.Исследование, проведенное лабораторией Луи, является новым примером того, как сочетание междисциплинарных инструментов позволяет исследовать основные принципы, лежащие в основе сложных биологических процессов. В этом случае ученые CRG углубляются в нейронные цепи плодовой мушки, которые могут быть входом в более сложные системы, такие как человеческий мозг.
Чтобы идентифицировать нейронные цепи, участвующие в хемотаксисе, команда решила сосредоточиться на личинке плодовой мухи, которая состоит из 10 000 нейронов — в 10 раз меньше, чем у взрослых мух и в 10 миллионов раз меньше, чем у людей. В бурных усилиях команда провела скрининг более 1100 штаммов мух, у которых функция небольшого подмножества нейронов мозга могла быть генетически отключена. «В начале этого проекта у нас было ощущение, что мы ищем иголку в стоге сена. Мы знали о 21 обонятельном нейроне в голове личинки и мотонейронах, эквивалентных спинному мозгу личинки. Напротив, мы практически не имели ни малейшего представления об идентичности промежуточных нейронов, синапсов, ответственных за обработку обонятельной информации и ее преобразование в навигационные решения », — говорит Матье Луи.
С этого экрана внимание команды было привлечено к горстке нейронов, расположенных в области, традиционно связанной с рефлексивным вкусовым поведением. Когда функция идентифицированных нейронов была отключена, личинки перестали принимать точное решение, чтобы ориентироваться в градиентах запаха. Используя оптогенетику, метод, который использует свет для управления и мониторинга нейронов, Ибрагим Тастекин, один из первых авторов работы, смог активировать отдельные нейроны.
К своему удивлению, он обнаружил, что кратковременного возбуждения достаточно, чтобы вызвать изменение ориентации. «Это было похоже на волшебство: оптогенетика дала нам средство удаленного управления элементарной формой принятия решений. Набор генетических инструментов мух создает беспрецедентные возможности для исследования функции отдельных нейронов в полувысокополосной манере. Здесь мы доказали необходимость и достаточность пары нейронов для управления фундаментальным аспектом хемотаксиса: преобразованием сенсорной информации в поведение ". Команда пошла еще дальше, продемонстрировав, что нейроны, идентифицированные в этой зоне, участвуют в обработке запаха, света и температуры. «Мы очень рады определить, как эти нейроны работают вместе с остальной схемой, отвечающей за хемотаксис», — говорит Матье Луи.Помимо определения того, какие области мозга контролируют отдельные особенности интересующего поведения, цель лаборатории Луи состоит в том, чтобы понять, как нейроны образуют нейронные цепи, как схемы работают вместе для выполнения вычислений и как сложное поведение возникает из вычислений мозга.
В статье, недавно опубликованной в журнале Learning Память, лаборатория Луи сосредоточилась на изученном обонятельном поведении. Луис и его коллеги ранее описали алгоритм навигации, позволяющий хемотаксировать личинку.
Основываясь на этой модели движения личинок в ответ на химические стимулы, команда теперь описала влияние аппетитной памяти и обучения на алгоритм навигации. Эта работа объясняет, как личинки становятся более эффективными в обнаружении источника запаха, который ранее ассоциировался с пищевым вознаграждением.Мало что известно о нейронных цепях, соединяющих сенсорные нейроны с двигательной системой.
Приняв подход к системной нейробиологии, лаборатория Луи надеется понять, как относительно небольшая нервная система из 10 000 нейронов представляет и интегрирует изменения сенсорных сигналов для принятия решений о навигации и как обучение влияет на работу нейронных цепей. «Распутывая вычисления, выполняемые отдельными нейронами в численно простом мозге, мы стремимся расширить наши знания о подобных функциях в гораздо более крупных мозгах, таких как наш. Наш подход дополняет исследования на более высоких модельных организмах, включая Проект человеческого мозга», — заключает он.
Матье Луи.