Саранча помогла понять, как мозг реагирует на стимулы и запахи

Исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, обучая саранчу распознавать запахи, изучают, как мозг обрабатывает сенсорную информацию.

Баранидхаран Раман (Baranidharan Raman), PhD, и его команда обнаружили, что саранча, обученная распознавать определённые запахи, по-разному реагировала, когда эти запахи накладывались на другие. Результаты исследования, опубликованные 27 апреля в Nature Communications, сосредоточены на обонянии, но команда планирует использовать их, чтобы определить, обрабатывает ли мозг сигналы от других органов чувств аналогично.

Сенсорные нейроны в усиках саранчи преобразуют химические сигналы (например, импульсы запаха) в электрические и передают их нейронным цепям мозга. Учёные исследовали, как меняется реакция нейронов мозга на запах в зависимости от активности, предшествовавшей его воздействию.

Ключевое открытие: когда два импульса похожего запаха подавались один за другим, спайковая нейронная активность, вызванная первым запахом, мешала обработке второго. Характерный паттерн спайковой активности для второго запаха нарушался, хотя набор реагирующих нейронов оставался прежним. Однако при подаче двух разных запахов в последовательности интерференция в реакции мозга на второй запах была меньше.

Методология: команда использовала павловское обусловливание, чтобы обучить голодную саранчу ассоциировать импульс запаха с наградой — кусочком травы. После обучения саранча двигала щупиками (маленькими сенсорными придатками возле ротовых частей) в ответ на знакомый запах.

Для точного отслеживания поведения кончики щупиков окрашивали зелёной краской и снимали реакцию на видео. Обученная саранча двигала щупиками в ожидании награды примерно через 500 миллисекунд после предъявления запаха. Эта ассоциация была устойчивой, даже когда обученный запах предъявляли много раз без награды и в разных комбинациях.

Результаты экспериментов:

• Саранча надёжно распознавала и реагировала на обученный запах, будь он представлен один или после другого запаха.
• Однако время реакции и поведение были менее предсказуемы, когда обученный запах следовал за похожим запахом, вызывавшим сильно перекрывающуюся нейронную активность.
• При предъявлении двух разных запахов в последовательности реакция саранчи на обученный запах была быстрой и предсказуемой, потому что он воспринимался как новый.

Вывод: Чем более новым является стимул, тем более сохранным остаётся паттерн спайковой активности и тем предсказуемее поведенческая реакция. Изменение паттернов нейронного ответа в зависимости от истории стимулов — это общее явление для нейронных сетей мозга.

• Идентичность запаха полностью кодируется тем, какие комбинации нейронов активируются.
• Временное измерение (паттерн спайковой активности во времени) используется для выделения или подавления запахов на основе их новизны.

Команда Рамана планирует продолжить исследование нейронных реакций, используя созданную парадигму для точного отслеживания поведения и вычислений, чтобы понять, как каждый аспект нейронного ответа связан с поведением.