Карта нейронных связей мух раскрыла секрет их молниеносной реакции
Нейробиологов давно занимает стремительная реакция мух на угрозы. Как они умудряются ускользать от неумолимо приближающейся газеты или тапка настолько быстро, хотя скорость нейронных связей имеет предел? Во Флоридском Атлантическом университете нашли ответ.
Там открыли самую подробную на сегодня карту нервной системы дрозофилы и, руководствуясь ею, поставили эксперименты, с результатами которых можно ознакомиться на страницах iScience. Полученные данные будут полезны в разработке моделей быстрого принятия решений нового поколения — как у беспозвоночных, так и у позвоночных.
Ученые проанализировали все 1314 нисходящих нейронов, берущих начало в мозге и передающих команды телу, в брюшной нервной цепочке мухи — аналоге нашего спинного мозга. По электронно-микроскопическому коннектому — сверхдетальной схеме связей — проследили каждый аксо-аксональный контакт. Это особая форма общения между нейронами, при которой один аксон напрямую влияет на другой еще до того, как сигналы достигнут мышц или других клеток-мишеней.
«Мы изучили ранее скрытую логику проводки, которая объясняет, как нервная система добивается быстрого и надежного управления движениями, и обнаружили децентрализованную стратегию коммуникации, высокоэффективную и исключительно устойчивую к сбоям. Эти принципы могут быть консервативны для многих видов — от насекомых до позвоночных — и в конечном итоге помогут нам лучше понять, как мозг координирует быстрые решения, движения и поведение, связанное с выживанием», — говорит вычислительный нейробиолог Родриго Пена, руководивший исследованием.
Авторы объединили крупномасштабное вычислительное моделирование, сетевой анализ и живые оптогенетические эксперименты (активацию нейронов светом), чтобы определить, как эти редкие контакты формируют быстрые двигательные реакции, например, при бегстве. Анализ показал, что аксо-аксональные связи исключительно избирательны — они возникают лишь примерно в 1% от всех возможных пар нейронов.
«Несмотря на свою редкость, сеть создает высокоэффективную систему связи, в которой сигналы могут быстро распространяться по моторным цепям всего за несколько шагов», — объясняет Пена.
Выяснилось также, что моторная сеть мухи работает иначе, чем многие другие известные системы мозга. Передача управления движениями не основана на нескольких «суперхабах», а распределена среди множества интернейронов. Такая децентрализованная архитектура позволяет мухам быстро сочетать рефлекторные движения с координированными действиями всего тела, и, самое главное, не имеет «узких мест», которые могут стать потенциальной точкой отказа.
Выявлены восемь холинергических нейронов, отдающих команду к бегству. Важным открытием стало, что их сигнал усиливается при проведении по гигантским волокнам, что гарантирует его исполнение.
Аксо-аксональные нейроны трудно обнаружить и изучать у млекопитающих — тем интереснее полученные результаты. Они показали, что специализированные синапсы работают как мощные модуляторы, способные усиливать, подавлять или синхронизировать двигательные команды еще до того, как движение начнется.
