Оптогенетика розкриває нові рівні функцій мозку

Дослідження на дрозофілі показує, що низхідні нейрони (DN), відповідальні за поведінку, утворюють складні, специфічні для поведінки мережі, що кидає виклик уявленню про те, що окремі нейрони керують діями незалежно. Це відкриття має значення для робототехніки та вивчення рухових розладів.

Фундаментальне питання нейронауки полягає в тому, як тварини, включаючи людей, перетворюють мозкові сигнали в скоординовані рухи. Як правило, мозок передає тілу рухові команди через «нисхідні нейрони» (DN), які контролюють як прості рефлекси, так і складну поведінку.

Але величезна кількість DN, а також їхні складні зв’язки означають, що вивчення їх у великих тварин може бути складним завданням. Наприклад, миша має близько 70 000 DN, тоді як людський мозок налічує понад мільйон.

Плодова мушка Drosophila melanogaster з її відносно простою нервовою системою є більш керованою моделлю. Він має приблизно 1300 DN, але може виконувати такі складні поведінки, як ходьба, політ, бокс і залицяння. Ця простота в поєднанні з передовими генетичними інструментами робить дрозофілу ідеальною для вивчення нейронної основи поведінки.

Відкриття нейронної поведінки дрозофіли

Команда вчених на чолі з Паваном Рамдією з EPFL тепер виявила, як DN у дрозофіли організовують складну поведінку. Зокрема, вони зосередилися на «командних» DN, підмножині низхідних нейронів, які, як показали попередні дослідження, є достатніми для повноцінної поведінки — у плодової мушки вони рухаються вперед, втікають, відкладають яйця та частини «танець» залицяння комах.

Дослідження показує, що DN, схожі на команди, замість того, щоб діяти поодинці, набирають додаткові мережі DN, надаючи нове розуміння того, як прості команди мозку можуть створювати скоординовані дії. Дослідження очолювали Джонас Браун і Фемке Хуртак у групі Рамдьї та опубліковано в Nature.

Дослідники використовували оптогенетику, техніку, яка використовує світло для управління нейронами, щоб активувати певні набори командних DN у мух. Вони зосередилися на трьох типах DN, які спонукають до ходьби вперед, підстригання антен і ходьби назад відповідно. Записуючи активність інших DN у мозку під час цих активацій, вони спостерігали, як ці початкові сигнали рекрутують додаткові нейрони.

Нейронні мережі та особливості поведінки

Щоб краще зрозуміти зв’язок між цими нейронами, команда проаналізувала коннектом головного мозку плодової мушки – графік, що описує синаптичні зв’язки між нейронами. Відображаючи з’єднання, вони визначили, як командні DN взаємодіють з іншими DN.

Цей підхід показав, що командні DN не діють ізольовано, а натомість формують прямі збудливі зв’язки з іншими DN, ефективно створюючи мережі, які працюють разом, створюючи складну поведінку. Наприклад, DN, відповідальний за рух вперед, набирає більшу мережу DN, ніж ті, які контролюють простіші дії, такі як догляд. Ці мережі залежать від поведінки, коли різні кластери нейронів активуються для різних дій.

Дослідники також проводили експерименти на безголових мухах, щоб виділити роль цих мереж. Вони виявили, що певна поведінка, як-от ходьба назад, все ще може виконуватися навіть без мережі, тоді як більш складна поведінка, така як ходьба вперед і догляд, вимагає повної мережі DN у мозку.

Це дослідження створює нову структуру для розуміння того, як сигнали мозку перетворюються на дії: замість того, щоб окремі нейрони діяли як прості командні центри, більшість поведінки може бути в основному оркестровано через дії більших мереж. Ця модель може надихнути на розробку кращих роботів-контролерів і навіть допомогти нам зрозуміти рухові розлади людини.