Это исследование, которое было издано на этой неделе в журнале Current Biology, прокладывает путь к систематическому расследованию нервных вычислений, которые лежат в основе сенсорной навигации в миниатюрном мозгу.Работа – новый пример о том, как системная биология позволяет ученым приближаться к сложным вопросам, таким как функции мозга.
Если банан гниет в корзине фруктов Вашей кухни, возможности состоят в том, что дрозофила найдет его задолго до того, как Вы делаете. Как способна нервная система крошечной мухи к возрастанию на след аромата, созданный бананом?
Этот вопрос был обращен в новом исследовании, проводимом Сенсорными Системами и лабораторией Поведения во главе с Маттие Луи в Единице Системной биологии EMBL-CRG CRG. Дрозофила дрозофилы melanogaster является превосходной образцовой системой, чтобы исследовать, как сложными поведениями, такими как хемотаксис, управляет деятельность нервных схем. Хотя нейробиология слова может вызвать человеческий мозг большинству из нас, исследование в меньших генетических образцовых организмах часто представляет самую прямую точку входа в молекулярное и клеточное основание нервные функции.
Исследование, выполненное лабораторией Луи, является новым примером о том, как комбинация междисциплинарных инструментов разрешает исследовать основные принципы, лежащие в основе сложных биологических процессов. В этом случае ученые CRG ныряют глубоко в дрозофилу нервные схемы, которые могли быть входом в более сложные системы как человеческий мозг.
Чтобы определить нервные схемы, вовлеченные в хемотаксис, команда решила сконцентрироваться на личинке дрозофилы, которая включает 10 000 нейронов – в 10 раз меньше, чем взрослые мухи и 10 миллионов раз меньше, чем люди. В безрассудных усилиях команда показала более чем 1 100 напряжений мухи, где функция маленького подмножества нейронов мозга могла быть генетически выключена. «В начале этого проекта у нас было чувство, чтобы искать иголку в стоге сена. Мы знали о 21 обонятельном нейроне в голове личинки и мотонейронов в эквиваленте спинного мозга у личинки. Напротив, у нас не было фактически подсказки об идентичности промежуточных нейронов, синапсы, ответственные за обработку обонятельной информации и ее преобразование в навигационные решения», говорит Маттие Луи.
От этого экрана внимание команды было привлечено на горстку нейронов, расположенных в регионе, традиционно связанном с рефлексивным поведением вкуса. Когда функция определенных нейронов была заставлена замолчать, личинки стали неспособными принять точное решение провести градиенты аромата. Используя оптогенетику, метод, который эксплуатирует свет, чтобы управлять и контролировать нейроны, Ибрагима Тастекина, одного из co-first авторов работы, смог активировать отдельные нейроны.
К его удивлению он нашел, что краткие возбуждения были достаточны, чтобы вызвать изменение в ориентации. «Это было похоже на волшебство: оптогенетика дала нам средство для дистанционного управления элементарная форма принятия решения. Муха генетический набор инструментов создает беспрецедентные возможности исследовать функцию отдельных нейронов полу способом высокой пропускной способности. Здесь мы доказали необходимость и достаточность нескольких нейронов, чтобы управлять фундаментальным аспектом хемотаксиса: преобразование сенсорной информации в поведение».
Команда пошла далее, демонстрируя, что нейроны, определенные в этой зоне, вовлечены в обработку аромата, света и температуры. «Мы очень счастливы определить, как эти нейроны работают совместно с остальной частью схемы, отвечающей за хемотаксис», говорит Маттие Луи.Вне идентификации, какие отделы головного мозга управляют отдельной особенностью поведения интереса, цель лаборатории Луи состоит в том, чтобы понять, как нейроны формируют нервные схемы, как схемы сотрудничают, чтобы достигнуть вычислений и как сложные поведения появляются из мозговых вычислений. В работе, недавно опубликованной в Изучении & Памяти, лаборатория Луи сосредоточилась на изученном обонятельном поведении.
Луи и коллеги ранее описали навигационный алгоритм, который разрешает личинку chemotax. На основе этой модели движения личинок в ответ на химические стимулы команда теперь описала воздействие аппетитной памяти и изучения на навигационном алгоритме. Эта работа объясняет, как личинки становятся более эффективными при расположении источника аромата, который был ранее связан с продовольственным вознаграждением.
Мало известно о нервных схемах, соединяющих сенсорные нейроны с моторной системой. Принимая нейробиологию систем приближаются к надеждам лаборатории Луи понять, как относительно маленькая нервная система 10 000 нейронов представляет и объединяет изменения в сенсорных сигналах направить навигационные решения, и как, изучая влияние функция нервных схем. «Распутывая вычисления, достигнутые единственными нейронами в численно простом мозгу, мы стремимся продвигать наше знание о подобных функциях в намного больших мозгах как наши.
Наш подход дополнителен к исследованиям в более высоких образцовых организмах, включая Проект Человеческого мозга», завершает Маттие Луи.