Исследование брачных ритуалов плодовых мух раскрывает механизм эволюции мозга
Самцы плодовых мух используют разные стратегии для поиска партнёрши: от восприятия феромонов в темноте до визуальных сигналов на свету. Новое исследование показывает, что эти ухажёры задействуют гибкую сеть модульных нейронных цепей мозга, чтобы быстро адаптироваться к различным сигналам спаривания.
Исследование, опубликованное в Nature, впервые описывает, как разные виды плодовых мух подключают новые сенсорные входы (например, феромоны) к базовому набору нейронных цепей, не создавая новые пути с нуля. Результаты предлагают общую модель для понимания того, как изменения в нейронных связях влияют на эволюцию поведения.
«Мы обнаружили, по нашему мнению, ключевой нейронный механизм, который придаёт мозговым цепям гибкость для перестройки у разных видов», — говорит Ванесса Рута, глава Лаборатории нейрофизиологии и поведения.
Принцип «подключи и работай»
Одна из загадок эволюции поведения — как мозговые цепи успевают за быстрыми изменениями социальных сигналов (например, для поиска партнёра) по мере видообразования. Ритуалы ухаживания эволюционируют быстро, и маловероятно, что мозг мухи полностью перестраивается каждый раз, когда в репертуаре Drosophila появляется новый феромон.
Группа Руты изучила близкородственные виды плодовых мух, у которых схожее строение мозга, но кардинально разные ключевые сигналы для спаривания. Например, D. simulans в основном полагается на визуальные сигналы, а D. yakuba развила новую способность использовать феромоны даже в полной темноте.
«Мы искали части мозга, которые могут быть предрасположены к гибкости, — эволюционные "горячие точки", движущие разнообразие поведения», — говорит Рори Коулман, первый автор исследования.
Сравнив цепи, воспринимающие феромоны, у нескольких видов (с помощью поведенческих тестов, генетических инструментов, нейровизуализации и редактирования генома CRISPR), учёные выделили ключевые элементы: сенсорные нейроны на передних лапках самца и P1-нейроны в высших отделах мозга.
Команда обнаружила, что базовые нейронные «строительные блоки» мужского брачного поведения, такие как P1-нейроны, присутствуют у всех видов, но к этому узлу можно гибко подключать разные сенсорные сигналы. Это позволяет видам мух развивать различные стратегии спаривания без перестройки всего мозга.
Например, P1-нейроны активировались в ответ на совершенно разные типы феромонов у D. melanogaster и D. yakuba, но их роль в инициации ухаживания сохранялась у обоих видов.
«Есть дискретные узлы в мозге каждого из этих видов, которые могут гибко интегрировать новые сенсорные модальности. Эта гибкость позволяет консервативным узлам, таким как P1-нейроны, по-прежнему инициировать ухаживание у разных видов, но реагировать на специфичные сигналы своих самок», — поясняет Рута.
Эволюция социального мозга
Эта работа иллюстрирует экспериментальный подход к изучению того, как социальное поведение эволюционирует у разных видов. «Наши результаты демонстрируют, что Drosophila — мощная система для изучения эволюции поведения», — говорит Рута.
Изучая, как вариации нейронных цепей формируют такое поведение, как спаривание, лаборатория надеется продвинуть понимание сложного взаимодействия между функцией мозга и социальным поведением.
Хотя структуры мозга мух и людей существенно различаются, некоторые базовые принципы эволюции и адаптации нейронных цепей, вероятно, консервативны.
«Мы надеемся, что сравнительные эволюционные исследования, подобные этому, раскроют основные правила, по которым строились нейронные цепи во всём животном мире, включая человека», — говорит Коулман.
«Многие неврологические расстройства, как считается, возникают из-за неправильного соединения цепей. Изучая нейронные цепи через призму эволюции, мы надеемся пролить свет на то, какие нейронные мотивы могут меняться и как они могут быть изменены — не вследствие болезни, а в результате эволюционного отбора», — добавляет Рута.