Риба даніо прямує до своєї мети, але сильна течія збиває її з курсу. Не злякавшись, маленька рибка повертається до початкової точки, рішуче завершивши свою подорож. Як тварини знають, де вони знаходяться в навколишньому середовищі, і як це визначає їхній подальший вибір? Дослідники з Дослідницького кампусу Джанелія Медичного інституту Говарда Хьюза виявили, що задній мозок — еволюційно збережена або «стародавня» область у задній частині мозку — допомагає тваринам обчислювати своє місцеперебування та використовувати цю інформацію, щоб визначити, куди їм рухатися далі.
Нове дослідження, яке нещодавно було опубліковано в журналі Cell, розкриває нові функції для частин «стародавнього мозку», висновки, які можуть застосовуватися до інших хребетних.
Зображення всього мозку відкриває нові мережі
Щоб з’ясувати, як тварини розуміють своє положення в навколишньому середовищі, дослідники на чолі з Ен Янгом, постдоктором лабораторії Аренса, помістили крихітних напівпрозорих рибок даніо, ледве пів сантиметра завдовжки, у середовище віртуальної реальності, яке імітує водні течії. Коли течія несподівано змінюється, риба спочатку збивається з курсу; однак вони можуть виправити цей рух і повернутися туди, звідки почали.
Поки рибка даніо плаває в середовищі віртуальної реальності, дослідники використовують техніку зображення всього мозку, розроблену в Janelia, щоб виміряти, що відбувається в мозку риби. Ця техніка дозволяє вченим обстежити весь мозок, щоб побачити, які схеми активуються під час їх поведінки, спрямованої на коригування курсу, і роз’єднати окремі залучені компоненти.
Дослідники очікували побачити активацію в передньому мозку, де розташований гіпокамп, який містить «когнітивну карту» середовища тварини. На свій подив, вони побачили активацію в кількох областях довгастого мозку, де інформація про місцеперебування тварини передавалася від нещодавно ідентифікованого контуру через структуру заднього мозку, що називається нижньою оливою, до рухових ланцюгів у мозочку, які дозволяють рибі рухатися. Коли ці шляхи були заблоковані, риба не могла повернутися до свого початкового місця.
У цьому відео показано середовище віртуальної реальності для личинок рибок даніо. Риба перетинає двовимірне середовище в присутності імітованого потоку води
Ці знахідки свідчать про те, що ділянки стовбура мозку запам’ятовують початкове місцеперебування рибки даніо і генерують сигнал помилки на основі її поточного та минулого місцеперебування. Ця інформація передається в мозочок, дозволяючи рибі повернутися до вихідної точки. Це дослідження розкриває нову функцію нижньої оливи та мозочка, які, як відомо, беруть участь у таких діях, як потягнення та пересування, але не цей тип навігації.
«Ми виявили, що риба намагається обчислити різницю між своїм поточним і бажаним розташуванням і використовує цю різницю для генерування сигналу помилки», — говорить Янг, перший автор нового дослідження. «Мозок надсилає цей сигнал про помилку до своїх центрів управління моторикою, щоб риба могла виправитися після того, як її ненавмисно зрушило потік, навіть через багато секунд».
Нова мультирегіональна схема заднього мозку
Досі незрозуміло, чи залучені ці самі мережі до подібної поведінки інших тварин. Але дослідники сподіваються, що лабораторії, які вивчають ссавців, тепер почнуть шукати гомологічні ланцюги для навігації в задньому мозку. Ця мережа заднього мозку також може бути основою інших навігаційних навичок, наприклад, коли риба пливе до певного місця для притулку, кажуть дослідники.
«Це дуже невідома схема для цієї форми навігації, яка, на нашу думку, може лежати в основі ланцюгів гіпокампу вищого порядку для дослідження та навігації на основі орієнтирів», — каже старший керівник групи Джанелії Міша Аренс.