Учёные расшифровали механизмы остановки в мозге дрозофилы

Учёные из Института нейробиологии Макса Планка во Флориде создали мух, которые останавливаются под красным светом. В ходе этого они обнаружили точные нейронные механизмы, участвующие в остановке.

Их результаты, опубликованные в Nature, имеют значение далеко за пределами контроля поведения мух. Они демонстрируют, как мозг задействует разные нейронные механизмы в зависимости от контекста окружающей среды.

Сила дрозофилы для понимания сложного поведения

Остановка — критически важное действие для почти любого поведения животного. При поиске пищи животное должно остановиться, когда обнаружит её; если оно испачкалось, оно должно остановиться, чтобы почиститься. Способность остановиться, хоть и кажется простой, плохо изучена, так как включает сложные взаимодействия с конкурирующим поведением, например, ходьбой.

Учёный Салил Бидайе и его команда, ранее идентифицировавшие нейроны, критичные для движения вперёд, назад и поворотов, обратились к изучению остановки.

"Целенаправленное движение по миру так же зависит от остановки в правильный момент, как и от ходьбы. Это центрально для важных поведений, таких как еда, спаривание и избегание опасности. Нас интересовало, как мозг контролирует остановку и где сигналы остановки перекрывают сигналы для ходьбы", — сказал Бидайе.

Используя генетический скрининг и оптогенетику (активацию конкретных нейронов красным светом), исследователи идентифицировали три уникальных типа нейронов, названных Foxglove, Bluebell и Brake, которые вызывали остановку у свободно идущих мух при активации.

Два механизма остановки

Тщательный анализ показал, что механизмы остановки различались в зависимости от того, какой нейрон был активен:

• Нейроны Foxglove и Bluebell подавляли ходьбу вперёд и повороты соответственно.
• Нейроны Brake перекрывали все команды ходьбы и повышали сопротивление в суставах ног.

Команда, объединившая учёных из нескольких институтов, использовала анализ движений ног, визуализацию нейронной активности, вычислительное моделирование и недавно созданные карты связей (wiring diagrams) всех нейронов в мозге и нервном тяже мухи.

Они обнаружили, что активация этих разных нейронов останавливала мух не одинаково, а с помощью уникальных механизмов, названных "Walk-OFF" и "Brake".

• Механизм "Walk-OFF" работает, "выключая" нейроны, которые запускают ходьбу, подобно снятию ноги с педали газа в автомобиле. Этот механизм, используемый нейронами Foxglove и Bluebell, полагается на тормозной нейромедиатор GABA для подавления нейронов в мозге, вызывающих ходьбу.
• Механизм "Brake", используемый возбуждающими холинергическими нейронами Brake в нервном тяже, активно предотвращает шаг, увеличивая сопротивление в суставах ног и обеспечивая постуральную стабильность. Этот механизм аналогичен нажатию на тормоз в автомобиле. Он также подавляет нейроны, способствующие ходьбе.

Ведущий исследователь проекта Неха Сапкал отметила: "В то время как механизм 'Walk-Off' был похож на механизмы остановки, идентифицированные в других моделях животных, механизм 'Brake' был совершенно новым и вызывал такую надёжную остановку у мухи".

Контекст-специфичная активация механизмов остановки

Чтобы определить, когда муха использует механизмы "Walk-OFF" и "Brake", команда применила несколько подходов: прогностическое моделирование на основе карты связей нервной системы, запись активности нейронов остановки и нарушение механизмов в разных поведенческих сценариях.

Их результаты показали, что два механизма используются взаимоисключающе в разных поведенческих контекстах и активируются соответствующими сигналами из среды:

• Механизм "Walk-OFF" задействуется в контексте питания и активируется нейронами, чувствительными к сахару.
• Механизм "Brake" используется во время груминга (чистки) и, как предсказано, активируется сенсорной информацией от щетинок мухи.

Во время груминга муха должна поднять несколько ног и сохранять равновесие. Механизм Brake обеспечивает эту стабильность через активное сопротивление в суставах и повышенную постуральную стабильность стоящих ног. Действительно, когда учёные нарушали механизм "Brake", мухи часто опрокидывались при попытках почиститься.

"Мозг мухи дал понимание того, как контекстуальная информация задействует специфические механизмы поведения, такого как остановка", — говорит Бидайе.

"Мы надеемся, что понимание этих механизмов позволит нам идентифицировать похожие контекст-специфичные процессы у других животных. У людей, когда мы останавливаемся и поднимаем ногу, чтобы поправить обувь или убрать камень из-под подошвы, мы, вероятно, пользуемся стабилизирующим механизмом, похожим на механизм Brake. Понимание контекст-специфичных нейронных цепей и того, как они работают вместе с другими сенсорными и моторными цепями, — ключ к пониманию сложного поведения".