Биологи нашли ключи к управлению тараканом

Исследователи из Университета Кейс Вестерн Резерв идентифицировали нейроны в мозге таракана, которые контролируют, будет ли насекомое идти медленно или быстро, поворачивать направо или налево или "переключаться" для преодоления препятствий.

Избирательно стимулируя эти же нейроны, учёные могут заставить таракана воспроизводить движения.

Это открытие проясняет, как мозг насекомого направляет тело для движения в нужном направлении, включая изменения в координации суставов и рефлексах.

"Центральный комплекс, по-видимому, является областью мозга насекомого, которая отслеживает множество форм сенсорной информации, а также внутреннее состояние насекомого, а затем влияет на различные формы движения", — сказал Рой Ритцманн, профессор биологии.

"Это как джойстик у животного. Мы можем контролировать его направление и изменять скорость", — сказал Джошуа Мартин, постдокторант в лаборатории Ритцманна.

Учёные полагают, что это открытие даёт представление о контроле движений не только у насекомых, но, вероятно, и у всех животных, которые ходят. Система таракана также является полезной моделью для создания роботов, способных самостоятельно маневрировать вокруг препятствий, беспилотных автомобилей и для управления дронами.

Исследование опубликовано 22 октября в журнале Current Biology. Ведущий автор Джошуа Мартин и Рой Ритцманн работали с недавними выпускниками аспирантуры университета.

Методология исследования

Чтобы понять, как насекомые контролируют движение, команда вставила крошечные провода в центральный комплекс 27 свободно передвигающихся тараканов, записала нейронную активность и засняла насекомых на видео. Электроды были размещены в области мозга, которая реагирует на антеннальные и визуальные сигналы, необходимые для навигации.

"Нейронная активность генерируется в центре мозга таракана. Выходные сигналы из центрального комплекса отправляются в моторный центр в грудных ганглиях — его версию спинного мозга — и далее к конечностям", — пояснил Мартин.

Нейронная активность возрастала, когда животные шли и поворачивали. Исследователи сопоставили статистическую модель генерации нейронных импульсов с записанной активностью, а затем использовали высокоскоростную видеосъёмку, чтобы сопоставить движение насекомого с моментом нейронного импульса. Статистически связав движения и импульсы, они разделили сигналы для разных скоростей и направлений поворота.

"Мы можем видеть, какие клетки предпочитают поворот налево или направо, а какие — медленное или быстрое движение вперёд, и видеть комбинации, например, медленно направо или быстро налево", — сказал Ритцманн.

Результаты стимуляции

Когда учёные пропускали электрический ток через те же электроды, которые записывали активность, активировались разные ансамбли нейронов, и таракан повторял ранее спонтанные движения.

"Для подавляющего большинства протестированных тараканов, если вы стимулируете клетки, которые были активны перед поворотом или медленной/быстрой ходьбой, вы получаете одно и то же движение каждый раз при стимуляции", — отметил Мартин.

Исследователи также показали, что электрическая стимуляция клеток центрального комплекса изменяет рефлексы, что согласуется с изменениями движений при повороте.

Изменение рефлексов

Когда идущее насекомое поворачивает, ноги на внутренней стороне поворота меняют функцию: от толчка назад до вытягивания и бокового подтягивания. Это требует изменения координации суставов ног, что происходит, когда схемы генерации паттернов для каждого сустава связываются через межсуставные рефлексы.

Мартин протестировал рефлексы, воздействуя на датчик сустава (аналогично проверке коленного рефлекса у человека), и отслеживал результат с стимуляцией мозга и без неё.

Они смогли напрямую изменить рефлекс с паттерна ходьбы/толчка на паттерн поворота/подтягивания при стимуляции мозга.

"Похоже, что моторные карты, которые мы идентифицировали, действуют на двигательную систему, изменяя знак этих рефлексов", — заключил Ритцманн.

Выводы и перспективы

Система кодирования была последовательной у всех протестированных животных, но, вероятно, не уникальна для тараканов.

"Вполне вероятно, что такой нисходящий моторный контроль также присутствует у всех животных с конечностями, включая нас. Поэтому такие исследования, с техническими преимуществами, которые насекомые предоставляют учёным, могут помочь понять, как в целом контролируется движение в сложных средах", — сказал Ритцманн.

Команда также обнаружила, что система нейронного кодирования центрального комплекса гибка. Когда таракан перелезает через блок, набор нервных клеток, которые активно срабатывали при быстрой ходьбе, менял свою активность, создавая иную корреляцию между активными нейронами и локомоцией.

Исследователи продолжат изучать, как центральный комплекс изменяется для адаптации движения к потребностям животного. Мартин, Ритцманн и коллеги сейчас изучают сенсомоторную функцию у других видов насекомых.