Влияние времени и поведения на реакцию червей на механическое воздействие

Реакция круглых червей Caenorhabditis elegans (C. elegans) на такие сигналы, как постукивание или прикосновение, зависит от деталей сигнала и от того, что животное делает в этот момент. К такому выводу пришла группа исследователей под руководством Эндрю Лейфера из Принстонского университета (США). Их новая работа опубликована в журнале eLife.

Исследование выявило новый уровень сложности в механосенсорной цепи — сети нейронов, связанных с восприятием внешних механических сигналов, — в простом мозге червей. Это открывает путь для будущих исследований того, как мозг обрабатывает сенсорные сигналы и превращает их в действия.

Мозг C. elegans содержит всего 302 нейрона, по сравнению со 100 миллиардами в мозге человека. Однако эти животные всё ещё способны ощущать окружающую среду и реагировать на неё, что делает их мощной моделью для изучения того, как простой мозг интерпретирует информацию для управления поведением.

«Реакция C. elegans на постукивание, прикосновение или вибрацию хорошо изучена: обычно они отползают назад, сталкиваясь с такими воздействиями, — говорит первый автор работы Мочи Лю, аспирант Института интегративной геномики Льюиса-Сиглера в Принстоне. — Это привело к созданию простых моделей, показывающих, как червь интерпретирует сигналы силы. Однако нам нужно более точное понимание того, как силы приводят к действиям, чтобы увидеть, как мозг обрабатывает сенсорную информацию и направляет результирующее поведение».

Для получения этих данных команда начала с изучения реакции червя на постукивание по чашке Петри. Хотя некоторые особи демонстрировали обычную реакцию «быстрого отступления», другие продолжали двигаться вперёд, но замедлялись — неожиданный результат. Затем команда использовала метод оптогенетики, чтобы активировать механосенсорные нейроны червей, создавая у них ощущение силы, даже когда её не было, и наблюдала те же поведенческие реакции.

«Когда C. elegans исследует свою естественную среду и взаимодействует с другими организмами, он, вероятно, испытывает стимулы в разное и случайное время, — объясняет Лю. — Поэтому мы также исследовали реакцию червя на случайную, меняющуюся во времени оптогенетическую стимуляцию и обнаружили, что его поведенческая реакция была настроена на время подачи сигналов. Например, реакции на сигналы, которые усиливались со временем, отличались от реакций на сигналы, которые ослабевали».

Самое поразительное открытие заключалось в том, что поведение червей в момент воздействия стимула влияло на то, как их мозг интерпретировал информацию. «Когда животные находились в процессе смены направления, тот же стимул, который обычно вызывал значительную реакцию, теперь почти не влиял на их поведение, — говорит Эндрю Лейфер, доцент кафедры физики в Принстонском институте неврологии и старший автор статьи. — Это было захватывающе, потому что предполагает, что даже простая цепь червя для обнаружения прикосновения достаточно гибка, чтобы быстро изменить способ интерпретации сенсорного сигнала».

Лейфер предполагает, что эта работа закладывает основу для понимания механизмов, с помощью которых простые нейронные цепи интерпретируют внешние сигналы. Для понимания того, как более сложные мозги интерпретируют и реагируют на мир, необходимы дальнейшие исследования нейронных цепей червей и более крупных организмов.