Глубоко в мозге мухи: ключ к тому, как эволюция меняет разум

Для влюбленных во всем животном мире поиск подходящего партнера требует правильной химии. Ученые из Университета Рокфеллера смогли проследить неожиданный путь, по которому эволюция обеспечила животным способность выбирать правильного партнера.

Работая с плодовыми мушками, ученые исследовали, как самцы умудряются выбирать особей своего вида из множества мух, роящихся вокруг перезрелого фрукта. Ответ, опубликованный на этой неделе в журнале Nature, опроверг давние представления о том, как эволюция обеспечивает продолжение вида.

Взгляд вглубь

Ученые долго предполагали, что животные не скрещиваются между собой, потому что эволюция изменила периферические части их нервной системы, включая сенсорные органы, которые обнаруживают и обрабатывают феромоны — химические вещества, помогающие идентифицировать особей того же вида. Считалось, что периферические изменения необходимы для развития видовоспецифичного поведения, включая спаривание, но не было возможности определить, является ли это главным или единственным местом изменений в нервной системе.

Ванесса Рута и ее команда из Лаборатории нейрофизиологии и поведения решили выяснить, что эволюция сделала, чтобы два близкородственных вида плодовых мушек — Drosophila melanogaster и Drosophila simulans — при спаривании придерживались своего вида. Используя множество современных генетических и визуализирующих инструментов и создав новые, ученые проследили электрохимические импульсы от сенсорных нейронов на передней ноге самца (которой они «пробуют» феромоны) до центра обработки в мозге.

Оказалось, что различия между видами лежат глубоко в мозге мух, в небольшом кластере нейронов, контролирующем брачное поведение. Периферическая нервная система не изменилась, что говорит о ее непричастности к разному выбору партнера у разных видов — результат, которого Рута не ожидала.

Развилка на пути

Самки D. melanogaster производят специфический феромон, который действует как мощный афродизиак и побуждает самцов к спариванию. Любопытно, что самцы D. simulans также сильно реагируют на тот же феромон, но для них это мощный «стоп-сигнал», мешающий ухаживать за самками другого вида.

Главным вопросом для команды Руты было то, где в нервной системе произошли эволюционные изменения, объясняющие противоположные реакции мух на один и тот же феромон.

Используя редактирование генов Crispr-Cas9, аспирант Лаура Сихольцер определила, что самцы обоих видов обнаруживают феромон одинаково. Нейронные пути также идентичны по мере их движения к мозгу. У обоих видов путь разделяется на два канала: один формирует так называемый возбуждающий интернейрон, поощряющий спаривание, а другой — тормозной интернейрон, подавляющий это желание.

Первые функциональные различия между видами проявились, когда ученые исследовали кластер нейронов P1, контролирующий брачное поведение. В эксперименте самцам обоих видов позволили прикоснуться к самке D. melanogaster, «попробовав» ее феромоны.

Нейроны P1 самцов D. melanogaster активировались, что показала функциональная визуализация активности мозга. Но для самцов D. simulans это был «отбой».

Затем команда попыталась искусственно возбудить или подавить половое влечение у самцов, напрямую стимулируя узел P1. Это был сложный эксперимент: хотя для D. melanogaster (одного из самых изученных видов) генетические инструменты широко доступны, по D. simulans исследований почти не было. Сихольцер и коллегам пришлось разработать новые методы генетической маркировки нейронов этого вида, чтобы изучить их роль в выборе партнера.

Результат: оба пути (возбуждающий и тормозной) присутствуют у обоих видов мух. Но именно баланс их сигналов, поступающих в нейроны P1, ответственен за противоположные реакции мух на один и тот же феромон. Для самцов D. simulans «вкус» феромонов другого вида заставляет доминировать тормозной путь, подавляя любой импульс к спариванию.

Рута надеется расширить исследование, сравнив дополнительные виды мух, чтобы обнаружить другие способы, которыми эволюция может управлять поведением. Благодаря новым генетическим инструментам, включая Crispr-Cas9, теперь возможно сравнивать нейронные цепи между видами.