Мозг мух обнаруживает нейронные пути, по которым внешние стимулы становятся поведением.

Хотя наши реакции на многочисленные образы и звуки жизни кажутся мгновенными, они являются результатом нейронных путей, которые отбирают информацию, которая в конечном итоге определяет наше поведение. Например, пешеход не отступает к обочине для всех движущихся транспортных средств, а только для того, кто движется к нему.Трудно понять, как мозг определяет полезную с точки зрения поведения — или этологически значимую — информацию, а затем переводит ее в действие.

Однако, согласно исследованию, опубликованному в журнале Neuron, одно из наиболее полных представлений об этом процессе могло теперь быть получено с помощью крошечного, относительно простого мозга плодовой мушки (Drosophila melanogaster).Исследователи Принстонского университета отслеживали нейронную активность самок плодовых мух, за которыми ухаживают самцы, чтобы уловить процесс, посредством которого внешний раздражитель вызывает изменение поведения.

Они наблюдали за клетками головного мозга в слуховом пути самки и могли наблюдать за ее нервной активностью с момента, когда самец заинтересовался ею, и до того момента, когда она решила потенциально спариваться.Самец плодовой мухи привлекает внимание своего потенциального партнера с помощью «песни», которую он генерирует, вибрируя своими крыльями. Преследуемая самка убегает от самца, но когда она слышит песню, которая ей нравится, она замедляется, чтобы позволить самцу приблизиться.

В ходе своего исследования исследователи из Принстона первыми сообщили о конкретных песенных характеристиках, которые побуждают самку плодовой мухи изменить свое поведение. Самки реагируют на более длинные песенные «схватки» или отрезки продолжительностью в десятки секунд. Исследователи использовали эти поведенческие данные вместе с электрическими записями нейронов слухового пути самок мух, чтобы построить компьютерную модель мозга плодовой мухи, которая правильно предсказывала продолжительность песни, на которую будут реагировать самки.

Эти результаты представляют собой четкую и относительно простую диаграмму нейронного процесса от стимула к поведению, часто выполняемого более сложным мозгом, например человеческим, объяснила Мала Мурти, профессор молекулярной биологии и Принстонского института нейробиологии. Мозг плодовой мушки содержит примерно 100 000 нейронов по сравнению с примерно 100 миллиардами нейронов, которые содержится в мозге среднего взрослого человека.

Мозг плодовой мушки обычно изучается в неврологии, потому что время и функции аналогичны более продвинутому мозгу, но в масштабе, который намного легче наблюдать.По словам Мерти, исследование исследователей имеет отношение к людям и другим существам: мозг плодовой мушки использует определенные паттерны для распознавания внешних стимулов, которые, в свою очередь, влияют на поведение. По ее словам, чувствительность к более длинным песенным сегментам, вероятно, позволяет самке определять физическую форму самца, основываясь на его способности постоянно воспроизводить длинные песенные партии.

Это похоже на то, как человек накапливает информацию в течение определенного периода времени, чтобы принять решение. В прошлом было мало работ, указывающих на то, что насекомые обладали такой способностью — вместо этого считалось, что это «область более сложного мозга», — сказал Мурти.

«Мы еще не понимаем, как человеческий мозг выполняет такого рода распознавание образов», — сказал Мурти. «Возможность решить эту проблему в любой системе полезна. Это позволяет нам взглянуть на нейронную активность, начиная с паттерна окружающей среды и заканчивая поведением организма.«В настоящее время нейронного протеза для восстановления функции восприятия у людей с расстройствами, влияющими на общение и восприятие, не существует», — продолжил Мурти. «Таким образом, понимание того, как мозг с гораздо меньшим количеством нейронов может выполнять распознавание образов во временных масштабах, важных для восприятия человеческой речи, например, может обеспечить основу для развития такого рода технологий».

Понимание нейронных процессов, посредством которых человек ведет себя в ответ на действия во внешнем мире, является одной из основных целей федеральной инициативы BRAIN (Исследования мозга через продвижение инновационных нейротехнологий), объявленной в 2013 году, которая предназначена для отображения активности всех нейронов мозга. . Исследование Neuron было частично поддержано грантом Инициативы BRAIN для Мерти от Национального научного фонда (NSF).«Мне интересно взять что-то очень сложное и начать устранять проблему, чтобы найти релевантные нейроны, чтобы установить эти связи», — сказал Мурти. «Мы хотим знать, как мозг решает проблемы, формирует поведение и взаимодействует с миром.

Это то, что мы начали делать здесь. Я думаю, что это по своей сути захватывающе».«Это исследование является одним из первых, проведенных с участием любого существа, которое фиксирует активность мозга, связанную с естественным социальным поведением», — сказал соавтор исследования Ян Клеменс, научный сотрудник лаборатории Мерти.

Клеменс и Мёрти работали с соавтором Сириллом Жирарденом, бывшим докторантом в группе Мурти, а теперь специалистом по грантам в Университете Фрибурга в Швейцарии; Пип Коэн, получивший докторскую степень. доктор нейробиологии из Принстона в 2015 году и научный сотрудник в Университетском колледже Лондона; Сяо-Хуан Гуань, старший научный сотрудник лаборатории Мурти; и Барри Диксон, исследователь в исследовательском кампусе Джанелии при Медицинском институте Говарда Хьюза в Вирджинии.«Очень немногие исследования могут связать нейронные коды с этиологически значимыми сенсорными особенностями и естественным поведением», — сказал Клеменс.«Это сложная проблема по двум основным причинам. Во-первых, не всегда известно, какие особенности сенсорной среды имеют этологическое значение», — сказал он. «Во-вторых, связывание как естественных сенсорных сигналов, так и естественного поведения с нейронными кодами обычно требует систематических записей поведения животного в его естественной сенсорной среде, но по причинам технических трудностей это редко достигается».

Самки плодовых мушек реагируют на мужские песни — это естественное, этологически уместное поведение. Зная это, исследователи из Принстона также должны были зафиксировать нейронную активность самки мухи, когда она слышала песню. Для этого они прикрепили очень маленькие электроды к отдельным нейронам в раннем слуховом проходе мозга самки мухи, чтобы записать электрическую активность, когда они играли ей мужские песни.

Исследователи построили вычислительные модели этих нейронных реакций, а затем использовали эти модели для изучения ответов примерно на 4000 минут естественных песен ухаживания, которые они записали. Это позволило исследователям точно предсказать, как поведет себя самка мухи, когда услышит песни оптимальной длины.В обзоре исследования, опубликованного в Neuron, аспирант Рич Пэнг и доцент Адриенн Фэрхолл, оба из отдела вычислительной нейробиологии Вашингтонского университета, написали, что исследователи из Принстона демонстрируют, как «преодолеть» сложность записи естественного поведения в лаборатории. среда.

Работа представляет собой многообещающий метод изучения сенсорного влияния поведения других плодовых мух, например, направления движения самки.«Недавняя работа, — писали Пэнг и Фэйрхолл, — очень обнадеживает, что нейронные субстраты, которые управляют такими сенсорными решениями, будут декодируемыми».

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *