Как простые команды мозга превращаются в сложное поведение человека
Фундаментальный вопрос в нейронауке заключается в том, как животные, включая людей, преобразуют мозговые сигналы в координированные движения. Обычно мозг передает команды движения телу через «нисходящие нейроны» (DN), которые контролируют как простые рефлексы, так и сложное поведение.
Но само количество DN, а также их сложные связи означают, что изучение их у более крупных животных может быть сложной задачей. Например, у мыши около 70 000 DN, в то время как в человеческом мозге их более миллиона.
Плодовая мушка Drosophila melanogaster с ее относительно простой нервной системой является хорошей моделью. У нее около 1300 DN, и при этом она может выполнять сложные действия, такие как ходьба, полет, удары и ухаживание. Эта простота в сочетании с передовыми генетическими инструментами делает Drosophila идеальным объектом для изучения нейронной основы поведения.
Открытия в нейронном поведении Drosophila
Группа ученых под руководством Павана Рамдьи из Федеральной политехнической школы Лозанны обнаружила, как DN в Drosophila организуют сложное поведение. В частности, они сосредоточились на «командных» DN, подмножестве нисходящих нейронов, которые, как показали предыдущие исследования, достаточны для управления полным поведением — у плодовой мушки они управляют ходьбой, бегом, откладыванием яиц и «танцем» насекомого во время брачного периода.
Исследование показывает, что командные DN, вместо того чтобы действовать в одиночку, привлекают дополнительные сети DN. Это дает новое представление о том, как простые команды мозга могут производить скоординированные действия.
Исследование проводилось под руководством Йонаса Брауна и Фемке Хуртак в группе Рамдьи и опубликовано в журнале Nature.
Исследователи использовали оптогенетику, технику, которая использует свет для управления нейронами, в том числе для активации определенных наборов командных DN у дрозофил. Ученые сосредоточились на трех типах DN, которые управляют ходьбой вперед, уходом за антеннами и ходьбой назад. Регистрируя активность DN в мозге во время этих действий, ученые наблюдали, как первые сигналы постепенно подключают дополнительные нейроны.
Нейронные сети и поведение
Чтобы лучше понять связь между этими нейронами, команда проанализировала коннектом мозга плодовой мушки — граф, описывающий синаптические связи между нейронами. Картографируя связи, они определили, как командные DN взаимодействуют с другими DN.
Этот подход показал, что командные DN не действуют изолированно, а вместо этого возбуждают связи с другими DN, эффективно создавая активные сети, которые работают вместе для создания сложного поведения. Например, DN, отвечающий за ходьбу вперед, привлекает более крупную сеть DN, чем те, которые контролируют более простое поведение, такое как уход за антеннами. Эти сети являются поведенчески-специфичными, при этом различные кластеры нейронов активируются для различных действий.
Исследователи также провели эксперименты на безголовых мухах, чтобы изолировать роль крупных сетей. Они обнаружили, что определенные виды поведения, такие как ходьба назад, все еще могут выполняться даже без активации сетей, но более сложные виды поведения, такие как ходьба вперед и уход за собой, уже требуют сетей DN в мозге.
Это исследование создает основу для понимания того, как сигналы мозга превращаются в действия. Командные нейроны только запускают процесс активации. Но большинством видов поведения управляют крупные нейронные сети. Эта модель может помочь разработке более совершенных роботизированных контроллеров и даже помочь в нашем понимании нарушений двигательной активности человека.