_ Cum controlează muștele de fructe „volanul” creierului

Când mergem pe stradă, avem un sentiment intern al direcției pe care ne îndreptăm, de la semnalele stradale și reperele fizice și, de asemenea, o idee despre unde ne-am dori să ajungem. merge. Dar cum coordonează creierul între aceste direcții, făcând matematica mentală care ne spune în ce direcție să ne întoarcem?

Acum, o nouă cercetare descrie un astfel de proces neuronal la muștele fructelor, oferind o perspectivă asupra modului în care creierul unui animal se orientează. e în direcția corectă. Studiul, publicat în Nature, arată cum neuronii care semnalează direcția în care este orientată o muscă în prezent lucrează împreună cu neuronii care semnalează direcția în care musca dorește să fie orientată - direcția obiectivului său - pentru a forma un circuit care ghidează. animalul.

„Întrebarea fundamentală este cum creierul permite navigarea”, spune Gaby Maimon, de la Rockefeller. „În acest studiu, descriem neuronii care furnizează semnale de direcție a obiectivului alături de un circuit cerebral care utilizează aceste semnale pentru a direcționa direcționarea.”

Celulele responsabile pentru semnalizarea direcției în care o muscă este orientată în lume (cunoscute). ca neuroni de „busolă”) au fost descoperiți pentru prima dată în 2015. Câțiva ani mai târziu, lucrările de la laboratorul Maimon și alții au demonstrat că muștele cu neuroni de busolă defecte nu sunt capabile să navigheze în linie dreaptă de-a lungul vreunei direcții de obiectiv arbitrare.

Pe baza acelei descoperiri, Peter Mussells Pires, un student în laboratorul lui Maimon și autorul principal al acestei lucrări, și-a propus să descopere celulele responsabile pentru urmărirea unghiului țintei unei muște.

Pires și colegii au folosit microscopia cu doi fotoni pentru a monitoriza neuronii muștelor în timp ce insectele mergeau pe o minge levitata de aer într-un mediu virtual. Ori de câte ori cercetătorii au rotit mediul virtual, activitatea neuronilor busolei muștei s-a rotit și în creier. Interesant, totuși, o populație de celule identificate ca neuroni FC2 a rămas nemișcată și concentrată pe titlul inițial.

„Imaginați-vă că mergeți în susul orașului în Manhattan și cineva vă trage de umăr și vă întoarce spre est. Ceva în creierul tău continuă. pentru a urmări direcția spre nord, astfel încât să vă puteți întoarce la direcția inițială”, explică Maimon. „La muște, aceștia sunt neuroni FC2.”

Pentru a confirma rolul neuronilor FC2 în urmărirea unui obiectiv, echipa a folosit optogenetica – o tehnică care folosește lumina pentru a controla activitatea neuronilor. Prin manipularea activității celulelor FC2, cercetătorii au reușit să schimbe direcția de navigare a muștei în moduri previzibile. „Acesta a fost experimentul care ne-a convins cu adevărat că aceste celule pot determina de fapt scopul muștei”, spune Pires.

Cu neuronii de cap și neuronii de obiectiv identificați, echipa și-a mutat atenția asupra circuitului creierului responsabil de combinarea cele două semnale. Lucrările recente care au dezvoltat conectomul creierului muștei - o hartă care detaliază conexiunile dintre diferiți neuroni - i-au ajutat pe cercetători să se concentreze asupra circuitului în cauză. Conectomul a arătat clar că un set de celule, numite celule PFL3, primesc intrări atât de la busola, cât și de la neuronii obiectivului.

O serie de experimente au confirmat că neuronii PFL3 spun corpului muștei în ce direcție să se îndrepte influențând sistemul motor al creierului. Ei fac acest lucru comparând intrarile interne de direcție și obiective, funcționând un pic ca volanul sistemului de navigație al muștei. Larry Abbott, un teoretician la Universitatea Columbia, a colaborat cu echipa pentru a dezvolta o înțelegere matematică a sistemului.

Modelul lui Abbott a surprins modul în care semnalele busolei și obiectivelor, care sunt reprezentate în coordonatele lumii sau ale hărții (de exemplu, nord/est/sud/vest), sunt convertite în semnale legate de motor în sistemul de coordonate al corpului, adică viraj la stânga și la dreapta. Rezultatele complementare privind neuronii PFL, strâns legate de studiul de față, sunt detaliate într-o lucrare paralelă Nature.

Lucrările viitoare ale laboratorului Maimon se vor concentra asupra modului în care muștele construiesc și stochează amintiri și obiective spațiale pe termen lung pentru a ghida comportamentul; semnalul de obiectiv caracterizat în acest studiu explică doar ce vor face muștele în următoarele câteva secunde. Maimon este, de asemenea, curios să afle dacă aceste noi descoperiri ar putea cataliza descoperirea unor circuite cerebrale similare la mamifere și, în cele din urmă, la oameni.

„Prin studierea creierului muștei”, spune el, „am oferit o inițială să vedem cum un simplu „gând” este convertit într-o acțiune. Sperăm că aceste descoperiri ne vor permite să înțelegem forme mai complexe ale acestui proces la mamifere pe viitor.”

(Fluierul)