Дофаминовая сигнализация позволяет нейронным цепям координировать поведение

Новое исследование нейробиологов из Института обучения и памяти Пикауэра Массачусетского технологического института (MIT) на примере круглого червя C. elegans показывает, как нервная система координирует различные поведенческие паттерны. Черви активно откладывают яйца, быстро перемещаясь (состояние "роуминг") по скоплению бактерий (пищи), что позволяет равномерно распределить потомство в питательной среде.

Новая платформа для визуализации

Команда под руководством Стивена Флавелла создала новую микроскопическую платформу для длительной (часы или дни) высокоскоростной съёмки нематод с автоматическим отслеживанием. Специальное ПО анализирует видео, извлекая информацию о различных двигательных программах: передвижении, питании, откладке яиц и других. Стоимость компонентов системы — около $3000, инструкции по сборке и ПО находятся в свободном доступе.

Анализ данных выявил новые поведенческие паттерны, включая координацию нескольких действий. В частности, было обнаружено, что состояние "покоя" (dwelling) состоит из нескольких различных подсостояний.

Координация поведения с помощью дофамина

Ключевое наблюдение: черви откладывают значительно больше яиц во время "роуминга" по пище, чем во время "покоя". Это позволяет эффективно распределять яйца.

Для изучения нейронной связи между передвижением и откладкой яиц учёные использовали методы генной инженерии и оптогенетики:

• Удаление гена cat-2, необходимого для производства дофамина, привело к исчезновению повышенной откладки яиц во время "роуминга". На откладку яиц в состоянии "покоя" это не повлияло.
• Оптогенетическое отключение дофаминовых нейронов снижало откладку яиц только во время "роуминга", а их активация могла стимулировать откладку яиц даже в неблагоприятных условиях.

Нейронный механизм

С помощью кальциевой визуализации (нейроны "светились" при активности) учёные обнаружили, что конкретный дофаминовый нейрон PDE особенно активен во время "роуминга" по пище. Его активность колебалась в соответствии с движением червя и достигала пика непосредственно перед принятием позы для откладки яйца, но только при наличии бактериальной пищи.

• Нейрон PDE имеет ресничку (цилиум), способную ощущать пищу во внешней среде.
• Предполагается, что PDE интегрирует информацию о наличии пищи и собственном движении червя, формируя паттерн активности, который отражает скорость перемещения через питательную среду.

Высвобождение дофамина этим нейроном передаёт информацию нейронной цепи, контролирующей откладку яиц.

Нисходящая нейронная цепь

Эффекты дофамина опосредованы двумя рецепторами семейства D2: dop-2 и dop-3. Критическую роль ниже по цепи играют нейроны, использующие нейромедиатор GABA.

• Гипотеза: дофамин, сигнализируя об изобилии пищи и движении, снимает GABA-ергическое торможение цепи откладки яиц, позволяя поведению осуществиться.

Это исследование демонстрирует, как с помощью новой платформы можно изучать полный репертуар скоординированного поведения. Понимание связи между активностью всего мозга (например, с помощью кальциевой визуализации) и комплексными поведенческими паттернами является важной задачей нейробиологии.

Источник: Исследование опубликовано 8 июня в журнале eLife. Соавторы: Нейтан Чермак, Стефани Ю и Ребекка Кларк.