Нейробиологические последствия хищничества и пастбищного питания
Исследователи из группы Ральфа Зоммера в Институте биологии развития Макса Планка в Тюбингене (Германия) впервые смогли выявить нейронные корреляты поведения, сравнив карты синаптической связности, или "коннектомы", двух видов с разным поведением. Они сравнили фарингеальные нервные системы двух нематод — бактериоядной Caenorhabditis elegans и хищной/всеядной Pristionchus pacificus — и обнаружили значительные различия в том, как нейроны "связаны" между собой.
Долгое время в нейробиологии стоял вопрос о том, как определённое поведение отражается в паттерне связей между нейронами. Ответ требует сравнительного подхода, который до сих пор был невозможен даже для такого небольшого организма, как нематода, из-за технических ограничений в подготовке и анализе чрезвычайно больших наборов данных. Дэн Бамбергер и его коллеги выбрали фарингеальные нервные системы C. elegans и P. pacificus, которые состоят всего из 20 нейронов и демонстрируют высокую степень независимости от нервной системы тела. Эти 20 нейронов регулируют сокращение мышц глотки, ответственных за захват пищи и её обработку перед перевариванием в кишечнике.
Бамбергер подготовил ультратонкие срезы двух червей Pristionchus и сравнил количество и расположение синапсов в нервной системе глотки с существующими данными по C. elegans. Несмотря на небольшой размер нематоды, генерация и анализ данных заняли более трёх лет: каждая 150-микрометровая область глотки дала более 3000 срезов, которые нужно было индивидуально сфотографировать и проанализировать под электронным микроскопом.
Первый результат этого обширного исследования стал неожиданностью: «По своей форме и положению каждый из 20 нейронов Pristionchus pacificus мог быть соотнесён с точным эквивалентом в Caenorhabditis elegans», — объясняет учёный. «Это тем более удивительно, что эволюционное расстояние между двумя видами червей превышает 200 миллионов лет, и они заметно различаются пищевым поведением и анатомией ротовых частей». В то время как C. elegans питается исключительно бактериями, P. pacificus способен переключать своё поведение на охоту за другими червями, если бактериальной пищи становится мало.
Эти различия отражаются в количестве и расположении нейронных синапсов. Если у C. elegans только 9 из 20 нервных клеток являются мотонейронами, которые в первую очередь активируют мышечные клетки, то у P. pacificus их число достигает 19; только один нейрон функционирует исключительно как интернейрон, устанавливая связи между нервными клетками. «Это указывает на существенные различия в потоке информации», — заявляет Ральф Зоммер. Очевидно, что регуляция движений гораздо сложнее у P. pacificus — вывод, который идеально коррелирует с хищническим пищевым поведением этого червя.
С помощью частично вновь разработанных аналитических методов учёные в Тюбингене также сравнили значимость отдельных нейронов и синапсов для всей сети. Стало очевидно, что два нейрона в передней части глотки P. pacificus значительно возросли в важности: это мотонейроны, регулирующие мышечные клетки, которые контролируют движение ротовых частей, в первую очередь движение зубов, которых нет у C. elegans. «Ротовые части особенно активны во время хищнической атаки, но не при питании бактериями», — поясняет Зоммер. У C. elegans эти два нейрона функционируют исключительно как интернейроны. Существуют заметные различия и в задней части глотки. Именно здесь у C. elegans находится специализированный мышечный "измельчитель" для раздавливания бактерий, их единственного источника пищи. У P. Pacificus, у которого нет измельчителя, некоторые мышечные клетки утратили синаптические связи с нейронами.
«Паттерны синаптических связей идеально отражают фундаментальные различия в пищевом поведении P. pacificus и C. elegans», — заключает Ральф Зоммер. Такой однозначный результат не обязательно был тем, чего он ожидал. Предыдущие исследования гораздо более простых нейронных цепей — например, у морского слизняка Aplysia — указывали на то, что изменения в поведении не обязательно должны совпадать с изменениями в количестве и расположении синапсов. Различия в физиологических свойствах нейронов или в их модуляции нейротрансмиттерами могут быть достаточными для изменения поведения.