Мотыльки и, возможно, другие животные полагаются на точное время нейронных спайков

Извлечение нектара из цветов, которые могут колебаться на ветру, требует точной, миллисекундной синхронизации между мозгом и мышцами.

Записав и проанализировав почти все сигналы мозга, отправляемые к мышцам крыльев бражников (Manduca sexta), исследователи показали, что точное время в быстрых последовательностях нейронных спайков (потенциалов действия) критически важно для управления полетными мышцами, необходимыми для питания.

Исследование показывает, что миллисекундные изменения во времени возникновения спайков, а не их количество или амплитуда, передают большую часть информации, которую мотыльки используют для координации пяти мышц в каждом из крыльев. Важность точного времени спайков была известна для некоторых конкретных мышц у позвоночных, но новая работа демонстрирует общий характер этой связи.

«Мы смогли одновременно записать почти каждый сигнал, который мозг мотылька использует для управления крыльями, что дало нам беспрецедентное и полное представление о том, как мозг управляет этими ловкими и грациозными маневрами», — сказал Саймон Спонберг.

Исследование было опубликовано 16 декабря в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Исследователи Джой Путни, Рейчел Конн и Спонберг изучали, как мозг координирует ловкие действия, требующие компенсации возмущений. Бражник стал идеальной моделью, так как каждая его летательная мышца контролируется одним или очень немногими мотонейронами. Это позволило изучать нейронные сигналы, измеряя активность соответствующих мышц с помощью крошечных проводов, введенных через экзоскелет насекомого.

Путни и Конн определили расположение каждой крыловой мышцы и научились создавать микроотверстия для проводов. Мотыльки, подключенные к компьютерной системе, могли летать на привязи, отслеживая движущуюся 3D-печатную пластиковую цветочную мишень. Крутящий момент, создаваемый мотыльками, коррелировали со спайковыми сигналами от каждой мышцы крыла.

Важность работы связана с полнотой измерения сигнала, которая выявила значимость временного кодирования. «Люди записывали много мышц вместе и раньше, но мы показали, что все эти мышцы используют временные коды», — сказала Путни.

Исследование предполагает, что точное время может быть фундаментальным способом, которым мозг управляет движением, и это может относиться и к позвоночным, включая человека. «Когда мы смотрим на конкретные сигналы у позвоночных, вплоть до людей, есть намеки на то, что это время может присутствовать», — отметил Спонберг.

Эта работа открывает путь для новых исследований о том, как мозг производит точный моторный контроль и как биophysics мышц позволяет использовать точное время, задаваемое мозгом.