Исследование показывает, как мозг хищника организует охоту
Для ученых, изучающих мозг, хищническая охота — это сложное поведение, требующее различных навыков, которые должны выполняться эффективно и согласованно для успеха.
Эксперименты на мышах, проведенные бразильскими и американскими исследователями, показали, что область мозга под названием центральное ядро миндалины отвечает за организацию действий при хищнической охоте. Также было установлено, что этот процесс осуществляется двумя различными нейронными сетями: одна организует преследование и поимку добычи, а другая контролирует движения челюстей и шеи, необходимые для нанесения смертельного укуса.
Модульный способ контроля является важным. Исследование предоставляет новые детали нейронного контроля краниофациальных мышц, что потенциально может способствовать пониманию патологий, затрагивающих эту область. Также рассматриваются практические применения в области инженерии, особенно в разработке алгоритмов для робототехники.
Основное внимание в лабораторной работе уделяется исследованию нейронной основы пищевого поведения млекопитающих. Сотрудничество с Ньютоном Кантерасом из ICB-USP началось из-за общего интереса к пониманию того, как контролируется охота за пищей в условиях, близких к естественным. Предыдущие исследования группы Кантераса показали, что центральное ядро миндалины сильно активируется, когда животное охотится.
Методы исследования
Для "интеррогации" нейронов центральной миндалины и выявления задействованных путей использовались несколько экспериментов и техник. Одной из ключевых была оптогенетика, использующая лазерный свет для почти мгновенной активации и деактивации нейронов.
С помощью вирусного вектора в нейроны интересующей области вводился белок-рецептор, делающий нейроны чувствительными к свету. В зависимости от введенного рецептора, нейроны можно активировать или деактивировать световым стимулом. Время между включением/выключением лазера и активацией/деактивацией нейронов очень мало, что позволяет коррелировать нейронную функцию с наблюдаемым поведением.
Та же техника позволяет сделать активацию и деактивацию еще более специфичной, различая, например, глутаматергические нейроны (высвобождающие нейромедиатор глутамат) и ГАМКергические нейроны (секретирующие гамма-аминомасляную кислоту). Эксперименты проводились на животных, экспрессирующих фермент Cre-рекомбиназу только в глутаматергических нейронах, с последующим введением Cre-зависимого вируса, доставляющего светочувствительный рецептор только в помеченные ферментом нейроны.
Другая возможность — селективное уничтожение конкретной группы нейронов путем инъекции Cre-зависимого вируса, способного кодировать каспазы — семейство протеаз, передающих клеткам сигналы, ведущие к апоптозу (запрограммированной клеточной смерти).
Результаты: два нейронных пути
Эта серия экспериментов позволила исследователям картировать два нейронных пути, координирующих охотничье поведение, оба опосредованные ГАМКергическими нейронами.
Путь от центрального ядра миндалины к паравоцеллюлярной ретикулярной формации (PCRt) в стволе мозга. Нейроны здесь проецируются в ядро нерва (черепной нерв XI), контролирующее движение головы, и в моторное ядро тройничного нерва, ответственное за движение челюсти.
- Эксперименты показали, что если устранить нейроны, проецирующиеся в моторное ядро тройничного нерва, животное преследует добычу, но не может нанести смертельный укус. При этом оно нормально пережевывает пищу, предложенную в лаборатории, что показывает, что пищевое поведение контролируется другой нейронной цепью.
Путь от центрального ядра миндалины к околоводопроводному серому веществу (PAG). Расположенное в среднем мозге, PAG проецируется в спинной мозг и опосредует двигательные реакции, соответствующие реакциям "бей или беги".
- Когда нейроны этого пути были устранены, задержка перед началом преследования добычи значительно увеличивалась, но смертельный укус наносился легко после поимки добычи, так как путь PCRt функционировал нормально.
- Измерение силы укуса показало, что она не менялась после устранения нейронов пути PAG, но резко снижалась после устранения нейронов пути PCRt.
Смена парадигмы
Результаты этого исследования ломают давнюю парадигму в нейронауке, согласно которой центральная миндалина — это область, ответственная за организацию поведения, связанного со страхом (например, замирание перед более крупным хищником).
Первоначальные эксперименты показали, что при стимуляции центрального ядра миндалины светом животные начинали жевательные движения, даже без пищи во рту, вместо демонстрации защитного поведения, указывающего на страх.
Теперь неопровержимо показано, что центральная миндалина организует охотничье поведение, и в этой системе могут существовать механизмы, заставляющие животное прекратить охоту в неблагоприятных условиях окружающей среды. Таким образом, то, что ранее интерпретировалось как страх, может быть просто сигналом прекратить охоту из-за отсутствия благоприятных условий.