Рыбы избегают подводного углекислого газа
Плавание через участки с повышенной концентрацией подводного углекислого газа (CO2) оказывается неприятным опытом для рыб, которые меняют курс, чтобы избежать их. В экспериментах, опубликованных в Cell Reports 30 января, исследователи из Института наук о мозге RIKEN в Японии обнаружили нейронный путь, который делает такое избегающее поведение возможным.
Высокий уровень CO2 опасен. Многие животные имеют встроенные поведенческие реакции избегания, которые срабатывают при необходимости. Люди могут испытывать страх и панические атаки, когда в воздухе слишком много CO2. В попытках понять нейробиологию, стоящую за такими реакциями, команда RIKEN использовала рыбок данио-рерио — животных с прозрачным мозгом, что облегчает визуализацию нейронной активности.
Известно, что личинки данио-рерио быстро реагируют на прикосновение к голове, убегая по стереотипной траектории в течение 10 миллисекунд. «В отличие от этого, — отмечает ведущий автор Тэцуя Коиде, — мы показали, что их реакция избегания на CO2 происходила примерно через четыре-пять секунд, что примерно в 400–500 раз медленнее». Кроме того, пути отступления, которые рыбы использовали для избегания CO2, были гораздо более вариабельными, чем их реакция на прикосновение, и они уплывали с гораздо меньшей скоростью. Все эти различия указывали на ранее неизвестный сенсорно-реактивный путь в мозге.
Чтобы идентифицировать ответственный путь, исследователи использовали трансгенных рыбок данио-рерио, специально созданных для кальциевого имиджинга. Этот метод визуализирует активность мозга за счёт генетической экспрессии флуоресцентного белка, чувствительного к кальцию — ключевому молекуле, участвующей в передаче нейронных сигналов. Команда смогла увидеть серию реакций на CO2 в мозге, самая ранняя из которых происходила в обонятельной луковице — части мозга, обрабатывающей запахи у млекопитающих. Несколькими секундами позже они увидели реакции в сенсорных нейронах тройничного нерва, который передаёт тактильные и болевые ощущения от лица. Финальный ответ исходил от хабунулы — части мозга, известной своим участием в обучении ассоциациям с неприятными переживаниями.
Чтобы определить, какая из этих трёх систем необходима для реакции на CO2, команда использовала лазер для удаления каждой из них по отдельности. Они обнаружили, что только повреждение тройничного пути и носа влияло на реакцию на CO2. Это было несколько удивительно, потому что повреждение самого обонятельного пути не меняло поведение избегания. «Это означало, что необонятельный компонент в носу критически важен для избегания CO2», — объясняет Коиде.
Затем команда хотела определить, как CO2 ощущается в носу. Кальциевый имиджинг носа данио-рерио выявил кластер клеток, реагирующих на CO2. Тесты показали, что эти клетки были частью нулевого черепного нерва, так называемого терминального нерва. Его удаление блокировало реакцию избегания CO2. Таким образом, нос рыбок данио-рерио содержит хемосенсоры терминального нерва, не связанные с обонянием, которые могут контролировать поведенческие реакции на вредные химические вещества.
«Мы были удивлены, обнаружив, что терминальный нерв действует как датчик CO2 у рыбок данио-рерио, — говорит Коиде. — Хотя он был идентифицирован как дополнительный черепной нерв у людей и других позвоночных более века назад, наше исследование первым сообщает о его функции в хемосенсорике». Действительно, считалось, что терминальный нерв функционирует в репродуктивном поведении, поскольку он производит гонадотропин-рилизинг-гормон — основной гормон, который, в свою очередь, стимулирует выработку репродуктивных гормонов.
«Поскольку люди и другие позвоночные также обладают системой терминального нерва, — продолжает Коиде, — мы надеемся далее охарактеризовать его хемосенсорные функции у разных видов, включая человека».