Как вкусовые клетки управляют стратегией поиска пищи у целого организма

Нейробиологи создали компьютерную модель, объясняющую, как нематодный червь ищет пищу. Исследование показало, что отдельные клетки мозга могут одновременно ощущать окружающую среду и управлять сложной стратегией поиска пищи целого животного.

В работе, опубликованной в журнале Communications Biology, участвовали учёные из Университета Лидса и Медицинского центра Университета Эразмус в Роттердаме. Они изучали микроскопический вид нематод Caenorhabditis elegans.

Ключевое открытие: сенсорные клетки этого животного не только улавливают сигналы из среды, но и обрабатывают эту информацию, чтобы управлять принятием решений, диктующих движение.

Ранее считалось, что информация от сенсорных клеток отправляется в другие нейронные цепи для принятия решений.

«Наши выводы поразительны — мы обнаружили простые механизмы, с помощью которых клетки, ощущающие соль, управляют довольно сложной стратегией поиска пищи», — говорит профессор Нетта Коэн, соавтор исследования.

Стратегия поиска пищи

C. elegans питается бактериями в участках гниющей растительности в почве. Эти участки пищи могут быть разного размера и находиться далеко друг от друга, что приводит к циклу «бума или спада» в колониях червей. Для отдельной особи успешный поиск пищи — вопрос жизни и смерти.

Чтобы повысить шансы на выживание, червь эволюционировал стратегию поиска: он случайным образом пересекает область в поисках еды. Если пища не найдена, животное уходит в поисках других областей.

Модель учёных объясняет, как вкусовые сенсоры червя обрабатывают информацию из среды, чтобы направлять его поведение. Они полагают, что червь использует вкус соли в почве как «навигационные маяки», двигаясь к ним, а затем, если пища не найдена, — прочь от них.

Работа сенсорных клеток

Нервная система C. elegans содержит 302 клетки, включая две вкусовые клетки, реагирующие на соль. Они отвечают по-разному: одна активируется при повышении уровня соли, другая — при его понижении.

Исходным пунктом исследования стало открытие группы доктора Герта Янсена: когда одна из этих клеток активна, другая «спит».

«Когда нематода впервые ощущает солёную среду, стимулируется сенсорная клетка, чувствительная к повышению концентрации соли, — и она предоставляет всю информацию, необходимую животному, чтобы двигаться в сторону солевого участка», — объясняет профессор Коэн.

Если через несколько минут животное не находит пищу, эта сенсорная клетка теряет чувствительность. Тем временем активируется другая вкусовая клетка (стимулируемая понижением уровня соли), вызывая резкие повороты, которые удерживают животное на солевом участке. В результате червь предпочтительно исследует более крупные участки соли.

Обе сенсорные клетки работают, чтобы удерживать червя в поиске на солевом участке. Но что, если он не находит пищу? Группа доктора Герта Янсена обнаружила, что при воздействии соли в солевую сенсорную цепь вовлекаются две дополнительные сенсорные клетки.

Изначально считалось, что эти дополнительные клетки предупреждают червя об опасностях, позволяя резко сменить направление. Однако исследование показало, что эти «клетки избегания вреда» также переключаются между активным и неактивным состоянием как часть навигационной стратегии, позволяя резко сменить направление, чтобы уйти от соли, тем самым расширяя область поиска.

Со временем все сенсоры продолжают циклически переключаться между состояниями «вкл» и «выкл», управляя таким образом сложной и динамичной стратегией поиска.

«Мы считаем, что этот механизм встроен в эти сенсорные клетки. Он не только remarkably effective, но и, что удивительно, поскольку всё происходит внутри сенсоров, его очень легко реализовать с помощью базового набора инструментов, доступного почти всем клеткам мозга. C. elegans может использовать солевые сигналы для поиска пищи, но мы подозреваем, что аналогичные механизмы могут использоваться другими животными для избирательного реагирования на другие сигналы или особенности окружающей среды», — заключает профессор Коэн.

Исследование финансировалось Советом по инженерным и физическим научным исследованиям (EPSRC), Центром биомедицинской генетики и Королевской нидерландской академией наук.

Ранее в этом году команда профессора Коэн в журнале Nature опубликовала работу с картой физической организации мозга C. elegans.