Результаты не только раскрывают подробности того, как перемещаются плодовые мушки, но и дают представление о более грандиозном и загадочном процессе: как мозг создает и поддерживает внутренние картины внешнего мира. Эта возможность — «самое волнующее для нас», — говорит Вивек Джаяраман, лидер группы «Джанелия». «Это окно в нечто, граничащее с познанием».Структура мозга в форме пончика действует как внутренний компас плодовой мушки Drosophila melanogaster. Некоторые нервные клетки, образующие эту структуру, называемую эллипсоидным телом, играют роль стрелки компаса.
Если муха меняет направление, например, участок активности нервных клеток тоже меняет направление, перемещаясь от клетки к соседней клетке вокруг пончика, когда муха поворачивается, Джаяраман и Йоханнес Силиг сообщили в Nature в 2015 году. Силиг, бывший научный сотрудник Janelia. В настоящее время является руководителем группы Центра перспективных европейских исследований и исследований в Бонне, Германия.Теперь Джаяраман и его коллеги пошли еще дальше, чтобы показать, как мозг мухи создает такую точную нервную иглу.
Группа эллипсоидных нервных клеток тела, называемых нейронами E-PG, настраивает стрелку компаса, эффективно активируя соседние нейроны и подавляя более удаленные нервные клетки, сообщили Джаяраман и его коллеги Сунг Су Ким, Эрве Руо и Шауль Дракманн, все ученые Джанелии. 4 мая в науке. Эта динамика — близкая активация и обширное подавление — помогают поддерживать единое стабильное направление на компасе.
Но нейроны E-PG действуют не в одиночку, чтобы двигать стрелку компаса — еще одно сотрудничество Джаярамана и лидера группы Janelia Шауля Дракманншоу. Как кончики пальцев, нежно лежащие на доске для спиритических сеансов, другая группа нервных клеток, называемых нейронами P-EN, сдвигает иглу, сообщают исследователи 22 мая в eLife.
Нейроны P-EN образуют структуру в форме руля, которая находится над телом эллипсоида, где они могут посылать сигналы нейронам E-PG и получать сообщения обратно. Расположенные на вершине кругового компаса, эти нейроны руля идеально расположены как для управления стрелкой компаса, так и для реагирования на ее движения.
Такое пространственное расположение, описанное нейроанатомом Джанелии Таней Вольф, подсказало исследователям, как эта система может работать. «Это одна из самых прекрасных особенностей этой конкретной трассы», — говорит Друкманн. «Наличие этой интуиции, основанной на структуре того, как это может работать, является огромным стимулом».Исследователи изучали мух, созданных с помощью генной инженерии, так что определенные нейроны светились, когда они активны.
Дэниел Тернер-Эванс, ученый-исследователь Джанелии, затем использовал сложный микроскоп, чтобы наблюдать за нейронной активностью у мух, когда они ходили по мячу. Тернер-Эванс наблюдал, как нейроны светятся, указывая на активность нейронов компаса E-PG. Но он также видел, как нейроны P-EN изменяли эту нейронную активность, когда мухи поворачивались. «Вы могли видеть взаимодействие, двухтактную систему», — говорит он.
Когда нейроны P-EN на руле обнаруживают, что муха повернулась, они посылают сигналы нейронам E-PG в компасе, чтобы слегка подтолкнуть стрелку в направлении поворота. «По сути, у вас есть набор марионеточных ниточек, с помощью которых вы можете так или иначе продвигать деятельность», — говорит Джаяраман. Но это не улица с односторонним движением. Информация о текущем положении мухи затем возвращается к нейронам P-EN руля, информируя оба набора нейронов о положении мухи.
Другие эксперименты, проведенные научным сотрудником Джанелии Стефани Вегенер, показали, что некоторые отдельные нейроны P-EN реагируют, когда муха поворачивает направо, а другие реагируют, когда муха поворачивает налево. Тем не менее, исследователи подозревают, что некоторые неоткрытые факторы, вероятно, укрепляют навигационные способности мухи. «Мы ни в коем случае не пытаемся сказать, что понимаем, как все работает», — говорит Вегенер. «Мы довольно хорошо понимаем одну часть головоломки, но это довольно небольшая часть большой головоломки».Другие подсказки получены от группы нейробиолога Габи Маймон из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке.
В статье, опубликованной 22 мая в журнале Nature, он и его коллеги описывают навигационные роли, которые играют отдельные группы нейронов P-EN.По его словам, Джаяраман и его коллеги быстро добились прогресса благодаря уникальной среде для совместной работы в Janelia. «Во время эксперимента теоретики могут находиться в одной комнате, постоянно разговаривая с экспериментаторами», — говорит он. «Это чудесная джанелианская вещь — такая простота взаимодействия и сосредоточенность на сотрудничестве». Теоретическое понимание того, как система может работать, Руо и Друкманн было проверено экспериментами, которые дали результаты, которые исследователи использовали для уточнения теорий.
Экспериментальный и теоретический подходы должны помочь исследователям погрузиться в более глубокие вопросы о навигационной системе мухи. «Мы хотели бы узнать общую картину», — говорит Джаяраман. "Как использовать этот компас?"У людей чувство направления — лишь один из многих факторов, влияющих на принятие навигационных решений. Обычно человек идет прямо к станции метро, но в жаркий день может вместо этого пойти на рынок, чтобы выпить. Подобные факторы могут влиять на решения в мозгу плодовой мухи. «Мы представляем, что этот компас время от времени используется для некоторых вещей, которые делает муха», — говорит Джаяраман.
Он и его коллеги работают над способами изучения более сложных решений у плодовых мушек. Выяснение того, как плодовая муха создает и использует модели своей среды, может дать важные подсказки о том, как мы, люди, узнаем, где мы находимся и куда двигаться дальше.