Учёные составили карту нейронных сетей, управляющих движением крыльев и ног у дрозофилы
Учёные из Вашингтонского университета и Гарвардской медицинской школы в сотрудничестве с ESRF обнаружили нейронные цепи, координирующие движения ног и крыльев у плодовой мушки (Drosophila). Это может привести к лучшему пониманию того, как нервная система ощущает и контролирует тело. Результаты опубликованы в Nature.
Одна из главных функций нервной системы — координация движений тела. Чтобы понять, как мозг управляет адаптивным моторным поведением, учёные давно пытаются расшифровать карту нейронных цепей вплоть до мышц.
Теперь исследователи связали нейроны из нервного тяжа плодовой мушки (аналога спинного мозга позвоночных) с мышцами, контролирующими ноги и крылья. Это проливает свет на то, как муха ощущает и контролирует движения конечностей. Хотя коннектомы мелких животных уже картировались ранее, впервые получена синапс-уровневая схема соединений моторных цепей для животного с конечностями.
Почему именно дрозофила? Drosophila melanogaster обладает компактной нервной системой, развитыми генетическими инструментами и идентифицированными нейронами со стереотипной функцией у разных особей.
«Они удивительно искусны в моторном контроле, включая ходьбу и полёт, несмотря на крошечную нервную систему», — объясняет Джон Татхилл, исследователь из Вашингтонского университета и автор-корреспондент публикации. Действительно, каждая нога мухи контролируется всего 70 мотонейронами (по сравнению с 600 в икроножной мышце кошки), а каждое крыло — всего 29 мотонейронами.
У мухи есть специализированные мышцы для мощности и управления крыльями. Эти крыловые мышцы крепятся к разным частям тела: силовые — к грудной клетке (тораксу), а управляющие — к крыловому шарниру.
Команда определила, какие премоторные нейроны в вентральном нервном тяже (VNC, аналог спинного мозга) координируют мотонейроны, контролирующие ногу и крыло. Для этого использовались несколько методов: электронная микроскопия, разреженное генетическое мечение и рентгеновская голографическая нанотомография (XNH) в ESRF.
Коннектомика с помощью рентгеновских лучей
Электронная микроскопия показала сеть вентрального нервного тяжа с 45 миллионами синапсов и 14 600 нейронных клеточных тел. Эти данные совместили с картами мотонейронов ног и крыльев, полученными с помощью XNH в ESRF.
«Сопоставление мотонейронов с их мышцами с помощью рентгеновской голографической нанотомографии было необходимо для интерпретации организации премоторной сети в контексте функции мотонейронов», — говорит Вэй-Чунг Ли, главный исследователь из Гарвардского университета и один из авторов-корреспондентов.
Он добавляет: «ESRF ID16A в настоящее время — единственная в мире установка, сочетающая поле зрения и разрешение, необходимые для плотной реконструкции нейронных связей в таких масштабах».
В последние годы команда под руководством учёного ESRF Александры Пачуряну разрабатывала метод XNH в ESRF для решения специфических задач, стоящих перед коннектомикой.
«Коннектомика с использованием рентгеновских лучей — очень новая область, возникшая в ESRF... и сегодня мы улучшили как пространственное разрешение, так и масштабируемость технологии, чтобы позволить изучение значимых нейронных цепей», — говорит она. Она добавляет: «Сотрудничество с нейробиологами было crucial для использования рентгеновской микроскопии в целях расширения границ понимания функционирования нервной системы».
Будущая работа будет включать выявление различий в организации нейронных сетей между особями, полами, в процессе развития, у разных видов, а также в ответ на травму или болезнь.