Передача сигналов допамина позволяет нервным цепям генерировать скоординированное поведение

Для нематодного червя большой газон бактерий, которые он ест, является отличным местом для того, чтобы разогнать яйца, чтобы каждый детеныш мог попасть в питательную среду. Вот почему, когда червь быстро бродит по кусочку пищи, он методично откладывает яйца по ходу дела. Новое исследование, проведенное нейробиологами из Института обучения и памяти Массачусетского технологического института при Массачусетском технологическом институте, исследует этот пример координации действий – когда яйцекладка связана с роумингом животного – чтобы продемонстрировать, как нервная система координирует различные поведенческие результаты. Это проблема, с которой сталкиваются многие организмы, хотя и по-разному, в повседневной жизни, сообщает сайт bactefort.

«Все животные обладают замечательной способностью координировать свои разнообразные двигательные программы, но механизмы мозга, которые обеспечивают такую ​​координацию, плохо изучены», – отмечают ученые, в том числе Стивен Флавелл, доцент кафедры развития карьеры Lister Brothers в отделе мозга MIT и Когнитивные науки.

Члены лаборатории Flavell Натан Чермак, Стефани Ю и Ревекка Кларк были соавторами исследования, опубликованного 8 июня в eLife.

Новая платформа для обработки изображений

Чтобы изучить, как животные координируют свои двигательные программы, команда Флавелла изобрела новую микроскопическую платформу, способную снимать четкие, с высокой частотой кадров видео нематод в течение нескольких часов или дней подряд. Руководствуясь специальным программным обеспечением, прицел автоматически отслеживает червей, что позволяет исследователям собирать информацию о поведении каждого животного. Команда также написала программное обеспечение для машинного зрения, которое автоматически извлекает из этих видео информацию о каждой из моторных программ C. elegans – локомоции, кормлении, откладке яиц и т. Д., Получая почти полную картину поведенческих результатов каждого животного. По словам Флавелла, комплектующие детали стоят около 3000 долларов и могут быть собраны за день или два с помощью интерактивного учебного руководства. Они разместили это и программное обеспечение системы онлайн бесплатно.

Используя эту систему и затем анализируя данные, команда Флавелла впервые смогла выявить ряд паттернов поведения нематод, которые включают координацию нескольких двигательных действий. Флэвелл сказал, что одна из идей, полученных системой, и последующий анализ состоит в том, что интенсивно изученные нематоды, известные с научной точки зрения как C. elegans, имеют более отчетливые поведенческие состояния, чем принято считать. Например, исследование показало, что поведенческое состояние, известное как «жилище», ранее определенное на основе содержания животного, на самом деле состоит из множества различных подсостояний, которые можно легко идентифицировать с помощью этого нового подхода к визуализации.

Поведение координируется дофамином

Но одним из наиболее выраженных новых поведенческих паттернов, появившихся в результате анализа, было наблюдение, что черви откладывают гораздо больше яиц в роуминге на пищевом газоне, чем в жилище. Это, вероятно, позволяет животным полностью разогнать яйца по питательной среде. Две двигательные цепи, которые контролируют передвижение и яйцекладку у этого животного, были тщательно определены в предыдущей работе. Итак, основываясь на своих новых наблюдениях, команда Флавелла решила исследовать, как нервная система червя соединяет локомоцию и яйцекладку. Оказалось, что она зависит от нейротрансмиттера дофамина, который распространен у всех животных, включая людей.

Они начали с выбивания генов для различных нейротрансмиттеров и других молекул, модулирующих мозг. Многие из этих кандидатов, такие как серотонин, влияли на поведение животного важными способами, но не нарушали эту связь роуминга и яйцекладки. Только когда команда уничтожила ген cat-2, необходимый для производства дофамина, черви больше не увеличивали яйцекладку в роуминге. Примечательно, что это не повлияло на скорость откладки яиц во время проживания, что позволяет предположить, что черви без дофамина по-прежнему способны нормально откладывать яйца, участвуя в других поведенческих состояниях.

Команда также подтвердила роль дофамина, взяв на себя прямой контроль над продуцирующими дофамин клетками, используя optogenetics, технологию, которая позволяет нейронной активности включаться или выключаться при вспышках света. В ходе этих экспериментов они узнали, что резкое отключение дофаминергических нейронов уменьшает яйцекладку только тогда, когда животные находятся в состоянии роуминга, но активация этих нейронов может заставить животных начать откладывать яйца, даже в условиях, когда скорость яйцекладки обычно низкий

Затем команда хотела узнать, где и когда появляется дофамин, который вызывает этот скоординированный ответ. Они спроектировали червей так, чтобы их нейроны светились, когда стали электрически активными, что указывает на выбросы ионов кальция. Из этих вспышек они увидели, что особый нейрон-продуцент дофамина, называемый PDE, выделялся как особенно активный, когда черви бродили по пищевому газону, и их активность колебалась в связи с движением червей. Они увидели, что оно достигло пика как раз перед тем, как червь принял положение, которое ускоряет яйцекладку, но только тогда, когда черви ползали по бактериальному источнику пищи. Примечательно, что у нейрона есть средства – маленькая волосяная структура, называемая ресничкой, – для ощущения пищи вне тела червя. Эти исследования показали, что нейрон PDE объединяет присутствие пищи в окружающей среде с собственным движением червя, создавая паттерн активности, который по существу сообщает о том, как быстро черви прогрессируют в своей питательной среде. Высвобождение дофамина этим нейроном, а также, возможно, другими, может передать эту информацию в схему яйцекладки, что позволит координировать поведение.

Команда Флавелла также наметила нейронную схему ниже по потоку дофамина и обнаружила, что его эффекты опосредованы двумя рецепторами из семейства дофаминовых рецепторов D2 (доп-2 и доп-3). Кроме того, ряд нейронов, которые используют нейротрансмиттер ГАМК, по-видимому, играют критическую роль ниже по потоку высвобождения дофамина. Они выдвигают гипотезу о том, что роль допамина может служить сигналом обильного поведения в еде и роуминге, чтобы отменить запрет ГАМК на откладывание яиц, позволяя этому поведению продолжаться.

В конечном счете, яйцекладка в роуминге была лишь одним из примеров сочетания моторных программ, которые лаборатория решила проанализировать. Флавелл и соавторы отмечают, что есть и много других.

«Одна вещь, которая волнует нас в этом исследовании, это то, что теперь с этой новой платформой микроскопии легко одновременно измерять каждую из основных моторных программ, генерируемых этим животным. Надеемся, мы можем начать думать о полном репертуаре поведений, которые он генерирует как полный, согласованный набор “, сказали они.

Исследовательская группа отмечает, что недавно разработанные технологии для визуализации кальция всего мозга открыли возможность измерения активности нейронов в мозге различных животных, включая червя.

«Чтобы понять эти всеобъемлющие наборы данных нейронной визуализации, важно рассмотреть, как они связаны с выходом всего мозга: полным набором поведенческих выходов, которые генерирует животное», – сказал Флавелл.

Другие авторы статьи – Юн-Чи Хуан и Саба Баскойлу.

Национальный научный фонд, Национальные институты здоровья, Фонд JPB и Фонд исследований мозга и поведения поддержали исследование.