«Быстрый взлет мухи в среднем на восемь миллисекунд быстрее, чем у более контролируемого взлета», — говорит руководитель группы Janelia Гвинет Кард. «Восемь миллисекунд могут быть разницей между жизнью и смертью».Карточные исследования избегают поведения плодовой мушки, чтобы распутать схемы и процессы, лежащие в основе принятия решений, и выяснить, как мозг интегрирует информацию, чтобы реагировать на изменяющуюся среду. Новое исследование ее команды, опубликованное 8 июня 2014 года в журнале Nature Neuroscience, показывает, что две нейронные цепи опосредуют медленное и стабильное или быстрое, но неуклюжее поведение дрозофилы при побеге.
Кард, доктор наук Катрин фон Рейн и их коллеги обнаружили, что всплеск активности ключевого нейрона в цепи быстрого побега может перекрыть более медленный побег, побуждая муху прыгнуть в безопасное место, когда угроза приближается слишком близко.Долгое время считалось, что пара нейронов, называемых гигантскими волокнами, в мозге плодовой мушки запускает побег.
Исследователи могут спровоцировать такое поведение, искусственно активируя гигантские волокнистые нейроны, но на самом деле никто не продемонстрировал, что эти нейроны реагируют на визуальные сигналы, связанные с приближающимся хищником, говорит Кард. Ей было любопытно, как нейроны могут участвовать в естественном поведении, если они не реагируют на соответствующие сенсорные сигналы, поэтому она решила проверить их роль.Генетические инструменты, разработанные в лаборатории исполнительного директора Janelia Джеральда Рубина, позволили команде Карда включать или выключать гигантские волоконные нейроны, а затем наблюдать, как мухи реагируют на раздражитель, похожий на хищника.
Они проводили свои эксперименты в аппарате, разработанном в лаборатории Карда, который снимает видео отдельных мух, когда они попадают в надвигающийся темный круг. Изображение проецируется на поверхность полусферы и быстро расширяется, заполняя поле зрения мухи, имитируя приближение хищника. «Это действительно похоже на куполообразный IMAX для полета», — объясняет Кард. Высокоскоростная камера записывает отклик со скоростью 6000 кадров в секунду, что позволяет Кард и ее коллегам детально изучить серию событий, составляющих побег мухи.
Чтобы убедиться, что их эксперименты имеют отношение к реальному опыту плодовых мушек, Кард объединился с другим руководителем группы Джанелии Энтони Леонардо, чтобы записать и проанализировать траектории и ускорение стрекоз — естественных хищников плодовых мух — во время их нападения. Они разработали свой надвигающийся стимул, чтобы имитировать эти черты. «Мы хотели убедиться, что действительно бросаем вызов животному чем-то похожим на нападение хищника», — говорит Кард.Проанализировав более 4000 мух, Кард и ее коллеги обнаружили два различных ответа на смоделированного хищника: долгий и короткий побег.
Чтобы подготовиться к устойчивому взлету, мухам нужно было время, чтобы полностью поднять крылья. Более быстрые побеги, напротив, устранили этот шаг, сокращая время взлета, но часто заставляя муху кувыркаться в воздухе.
Когда ученые отключили гигантские нейроны волокна, не давая им сработать, мухам все же удалось завершить свою последовательность побега. «На поверхностном уровне подавление нейрона не имело абсолютно никакого эффекта», — говорит Кард. «Вы можете покончить с этим нейроном, который, по мнению людей, был основополагающим в этом побеге, а мухи все равно убегают». Однако более короткие побеги были полностью исключены. Мухи без активных гигантских волоконных нейронов неизменно выбирали более медленный и устойчивый побег.
Напротив, когда ученые включили гигантские волокнистые нейроны в отсутствие стимула, похожего на хищника, мухи разыграли свое быстрое бегство. Данные свидетельствуют о том, что гигантские нейроны волокон участвуют только в коротких побегах, в то время как отдельные цепи опосредуют длинные побеги.
Кард и ее коллеги хотели понять, как мухи решают, когда жертвовать стабильностью в пользу более быстрого реагирования. Чтобы узнать больше, Кэтрин фон Рейн, научный сотрудник лаборатории Карда, поставила эксперименты, в которых она могла непосредственно отслеживать активность гигантских волоконных нейронов.
К удивлению, она обнаружила, что гигантские волокна были активны не только в коротком режиме, но и во время некоторых из длинных выходов. Ситуация была более сложной, чем предполагали их генетические эксперименты. «Наблюдение за динамикой электрофизиологии позволило нам понять, что выбор времени спайка важен для определения того, как муха выберет способ бегства», — говорит Кард.Основываясь на своих данных, Кард и фон Рейн предполагают, что надвигающийся стимул сначала активирует цепь в мозгу, которая инициирует медленное бегство, начиная с контролируемого подъема крыльев. Когда объект приближается, заполняя большую часть поля зрения мухи, активируется гигантское волокно, вызывая более срочный побег. «Что определяет, будет ли муха убегать в длинном или коротком режиме, так это то, как скоро после того, как крылья поднимутся, муха пинает свои ноги и начинает взлетать», — говорит Кард. «Гигантское волокно может сработать в любой момент во время этой последовательности.
Оно может вообще не сработать — и в этом случае вы получите этот красивый длинный, красиво поставленный взлет. Оно может сработать сразу, и в этом случае вы получите сокращенный выход». Чем быстрее приближается объект, тем скорее может сработать гигантское волокно, увеличивая вероятность кратковременного побега.Карту по-прежнему любопытны многие аспекты побега.
Она задается вопросом, как муха вычисляет направление угрозы и решает, в каком направлении бежать. Что заставляет муху решить начать взлет в отличие от других маневров уклонения?
По ее словам, относительно компактные схемы, управляющие этим сенсорным поведением, представляют собой мощную систему для изучения механизмов, которые животные используют для выбора одного поведения над другим. «Мы думаем, что вы действительно можете задать эти вопросы на уровне отдельных нейронов и даже отдельных спайков в этих нейронах».