Новые данные о том, как плодовые мушки ориентируются в пространстве
В глубине мозга плодовой мушки (Drosophila melanogaster) специализированные нервные клетки образуют крошечный "компас". Новые результаты нейробиологов из кампуса Janelia Research Campus проливают свет на архитектуру этой цепи и нейронные силы, которые коллективно перемещают "стрелку" этого компаса.
Результаты не только раскрывают детали навигации мух, но и дают представление о более грандиозном и загадочном процессе: о том, как мозг создает и поддерживает внутреннюю картину внешнего мира. "Это самое захватывающее для нас", — говорит руководитель группы Janelia Вивек Джаяраман.
Структура компаса: За внутренний компас отвечает структура мозга в форме бублика — центральное комплексное тело (ellipsoid body). Некоторые нервные клетки, образующие эту структуру, играют роль "стрелки". Когда муха меняет направление, область нервной активности также перемещается от клетки к соседней клетке по "бублику". Это было показано Джаяраманом и Йоханнесом Зилигом в Nature в 2015 году.
Как создается "стрелка": Группа нейронов центрального комплексного тела, называемая E-PG нейронами, формирует "стрелку" компаса, активируя соседние нейроны и подавляя более удаленные. Эти динамики — активация соседей и подавление дальних — помогают поддерживать единственное стабильное направление на "компасе". Об этом Джаяраман и его коллеги из Janelia сообщили 4 мая в Science.
Как движется "стрелка": E-PG нейроны не действуют в одиночку. Другая группа нервных клеток, P-EN нейроны, смещает "стрелку". Они образуют структуру в форме руля, расположенную над центральным комплексным телом, где могут отправлять сигналы E-PG нейронам и получать ответные сообщения. Расположенные над круговым "компасом", эти нейроны идеально позиционированы, чтобы как управлять "стрелкой", так и реагировать на её движения. Это пространственное расположение, описанное нейроанатомом Janelia Таней Вольф, навело исследователей на мысль о том, как работает система. Результаты опубликованы 22 мая в eLife.
Экспериментальное подтверждение: Исследователи изучали генетически модифицированных мух, у которых определенные нейроны светились при активности. Используя сложный микроскоп, они наблюдали эту нейронную активность у мух, идущих по шару. Было видно, как активность в E-PG нейронах ("стрелка") и как P-EN нейроны смещают эту активность, когда муха поворачивает. "Вы могли видеть взаимодействие, толкание-притягивание системы", — говорит исследователь Дэниел Тёрнер-Эванс.
Механизм: Когда P-EN нейроны "руля" обнаруживают, что муха повернула, они посылают сигналы E-PG нейронам "компаса", чтобы слегка сдвинуть "стрелку" в направлении поворота. "По сути, у вас есть набор ниточек, с помощью которых можно тянуть активность в ту или иную сторону", — говорит Джаяраман. Но это не улица с односторонним движением: информация о текущем положении мухи затем возвращается к P-EN нейронам "руля", информируя обе группы нейронов.
Детализация: Эксперименты показали, что некоторые отдельные P-EN нейроны реагируют, когда муха поворачивает направо, а другие — когда налево. Однако исследователи подозревают, что существуют и другие, еще не обнаруженные факторы, поддерживающие навигационные способности мухи. "Мы ни в коем случае не пытаемся сказать, что понимаем, как все работает", — говорит постдок Стефани Вегенер.
Контекст и будущее: Прогресс команды Джаярамана стал возможен благодаря уникальной collaborative среде в Janelia, где теоретики и экспериментаторы работают в тесном контакте. Теоретическое понимание системы, предложенное Эрве Руа и Шаулем Друкманном, проверялось экспериментами, результаты которых, в свою очередь, использовались для уточнения теорий. Теперь исследователи хотят понять, как этот "компас" используется мухой для принятия более сложных решений, на которые могут влиять различные факторы (аналогично тому, как человек может изменить маршрут в жаркий день). "Мы представляем, что этот компас используется часть времени для части действий, которые совершает муха", — говорит Джаяраман.