Ученые научились читать мысли медуз

Понимание точных схем клеток мозга, которые управляют всем нашим повседневным поведением является невероятно сложной загадкой для нейробиологов.

Но теперь на фундаментальные вопросы нейробиологии поведения можно ответить с помощью новой и гораздо более простой модели организма: крошечных медуз.

Исследователи из Калифорнийского технологического института разработали своего рода набор генетических инструментов, предназначенный для работы с Clytia hemisphaerica, типом медузы диаметром около 1 см., когда она полностью выросла. С помощью этого инструментария крошечные существа были генетически модифицированы, так что их нейроны индивидуально светятся флуоресцентным светом при активации. Поскольку медуза прозрачна, исследователи могут наблюдать за свечением нервной активности животного, которое ведет себя естественно. Другими словами, команда может читать мысли медузы, когда она питается, плавает, уклоняется от хищников и т. д., чтобы понять, как относительно простой мозг животного координирует его поведение.

Статья с описанием нового исследования появилась в журнале Cell.

Исследование проводилось в основном в лаборатории Дэвида Дж. Андерсона, профессора биологии Сеймура Бензера, кафедры лидерства Института нейробиологии Тяньцяо и Крисси Чен, исследователя Медицинского института Говарда Хьюза и директора Института нейробиологии имени Тяньцяо и Крисси Чен.

Когда дело доходит до модельных организмов, используемых в лабораториях, медузы являются исключением. Черви, мухи, рыбы и мыши — некоторые из наиболее часто используемых лабораторных модельных организмов — генетически более тесно связаны друг с другом, чем с медузами. На самом деле черви эволюционно ближе к человеку, чем к медузам.

«Медузы — важная точка для сравнения, потому что они настолько отдаленно связаны друг с другом. Они позволяют нам задавать такие вопросы, как: существуют ли принципы нейробиологии, общие для всех нервных систем? Или как могла бы выглядеть первая нервная система? Изучая природу в более широком смысле, мы можем также обнаружить полезные биологические инновации. Важно отметить, что многие медузы являются маленькие и прозрачные, что делает их захватывающими платформами для системной нейробиологии. Это связано с тем, что существуют удивительные новые инструменты для визуализации и управления нейронной активностью с помощью света, и вы можете поместить всю живую медузу под микроскоп и получить доступ ко всей нервной системе на однажды», — говорит Брэди Вайсбурд, постдокторант и первый автор исследования.

Мозг медузы не сосредоточен в одной части тела, как наш собственный мозг, а рассредоточен по всему телу животного, как сеть. Различные части тела медузы могут работать, казалось бы, автономно, без централизованного управления. Например, хирургически удаленный рот медузы может продолжать «есть» даже без остальной части тела животного.

Этот децентрализованный план тела кажется очень успешной эволюционной стратегией, поскольку медузы существовали во всем животном мире на протяжении сотен миллионов лет. Но как децентрализованная нервная система медузы координирует и управляет поведением?

После разработки генетических инструментов для работы с Clytia исследователи сначала изучили нейронные цепи, лежащие в основе пищевого поведения животного. Когда Clytia хватает креветку щупальцем, она складывает свое тело, чтобы поднести щупальце ко рту, и одновременно наклоняет рот к щупальцу. Команда хотела ответить: как мозг медузы, очевидно неструктурированный и радиально-симметричный, координирует это направленное складывание тела медузы?

Изучая светящиеся цепные реакции, происходящие в нейронах животных во время еды, команда определила, что подсеть нейронов, производящая определенный нейропептид (молекулу, продуцируемую нейронами), отвечает за пространственно локализованное внутреннее складывание тела. Кроме того, хотя сеть нейронов медуз изначально казалась рассредоточенной и неструктурированной, исследователи обнаружили удивительную степень организации, которая стала видимой только с их флуоресцентной системой.

«Наши эксперименты показали, что кажущаяся диффузной сеть нейронов, которая лежит в основе круглого зонтика медузы, на самом деле подразделяется на участки активных нейронов, организованных в клинья, как кусочки пиццы. Когда медуза схватывает креветку щупальцем, нейроны в ближайшем к щупальце «кусочке пиццы» сначала активируются, что, в свою очередь, заставляет эту часть зонтика складываться внутрь, в результате чего креветка оказывается во рту. Этот уровень нейронной организации совершенно незаметен, если вы посмотрите на анатомию медузы даже в микроскоп. Чтобы увидеть ее, вы должны иметь возможность визуализировать активные нейроны — это то, что мы можем делать с нашей новой системой», — объясняет Андерсон.

Вайсбурд подчеркивает, что это только верхушка понимания всего репертуара поведения медуз.

«В будущей работе мы хотели бы использовать эту медузу в качестве управляемой платформы, чтобы точно понять, как поведение создается целыми нейронными системами. В контексте передачи пищи понимание того, как щупальца, зонтик и рот координируются друг с другом, позволяет нам подойти к более общим проблемам функции модульности в нервных системах и того, как такие модули координируются друг с другом. Конечная цель состоит в том, чтобы не только для понимания нервной системы медуз, но и для использования ее в качестве трамплина для понимания более сложных систем в будущем », — говорит он.

По слова ученых, новая модельная система проста для использования исследователями в любом месте.