Наши повседневные жизни можно рассматривать как серию сложных моторных последовательностей: утренние занятия, рабочие или школьные задания, действия, которые мы предпринимаем во время еды, ритуалы и привычки, сплетенные по вечерам и выходным. Они кажутся почти автоматическими, с небольшой сознательной мыслью позади.
В действительности, однако, они являются результатом бесчисленных решений и физических корректировок, которые мы вносим на этом пути, благодаря непрерывной обработке сигналов в мозге, которая управляется информацией, которую мы получаем через наши органы чувств.
Исследователь Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Джули Симпсон интересуется процессами, которые входят в эти сложные моторные последовательности, в частности, как нейронные сигналы транслируются в наше физическое поведение.
«Каждый день вы просыпаетесь утром и решаете, что делать со своим днем», - сказал Симпсон, доцент кафедры молекулярной, клеточной биологии и биологии развития. «Есть много вещей, которые вы можете сделать со своими конечностями, которые управляются моторными нейронами, которые управляются командами из вашего мозга». Люди обладают широким репертуаром поведения, и часто мы испытываем конкурирующие побуждения. Как мы выбираем, что делать в первую очередь?
Существует много очевидных проблем, связанных с определением того, как человеческий мозг координирует физические движения, и не в последнюю очередь из-за сложности сетей человеческого мозга. К счастью, плодовая муха ( Drosophila melanogaster ) - модельный организм, для которого у нас есть полный геном - обладает аналогичной, но гораздо более простой и гораздо более гибкой системой. Используя плодовых мух, Симпсон и ее исследовательская группа обнаружили нейронные механизмы, которые способствуют сложным моторным последовательностям в поведении мух - особенно те, которые управляют уходом, универсальное поведение плодовой мухи, которое удаляет пыль из тела с целевыми движениями ног.
Помимо добавления к нашему фундаментальному пониманию того, как работает наш мозг и тело, результаты, опубликованные в статье в журнале Current Biology , могут дать представление о патологиях в передаче сигналов мозга, таких как болезнь Паркинсона, или с обсессивно-компульсивным поведением.
Посредством оптогенетики - использования света для активации определенных нейронов - и целевого, конкурирующего света, исследователи смогли выключить и включить небольшие группы этих нейронов у субъектов плодовой мухи, чтобы увидеть, какое поведение муха решила показать. В этом случае муха должна была бы решить, какую часть сначала очистить, когда обманом поверили, что все ее тело было покрыто пылью.
«Если вы даете им все грязное сразу, что они делают?» Симпсон сказал.
Оказывается, что плодовые мушки обычно имеют стандартную, но не установленную последовательность ухода. Они используют свои ноги, чтобы подметать головы, затем брюшную полость, а затем свои крылья, каждый раз поднимая, садя и проводя ноги между каждым сеансом подметания.
«Вероятность предшествующего поведения всегда выше, чем заднего», - сказал Симпсон, - «но точная схема и точные точки перехода различаются, поэтому это не совсем фиксированная модель действия. Они делают вероятностный выбор».
Лаборатория обнаружила, что выбор, который делают мухи, является результатом пространственного сравнения уровней пыли в каждом регионе. «Пыль» на самом деле является красным светом для оптогенетической стимуляции, подобно механосенсорной виртуальной реальности, которая позволяет лучше контролировать активацию нейронов.
«Мы обнаружили, что пространственные сравнения были более важными: мухи не отслеживали сенсорный вклад с течением времени», - сказал Нил Чжан, ведущий автор исследования. «Они сравнивают разные части тела - например, голову и живот». Кажется, что область головы обычно побеждает в соревнованиях, возможно, из-за большого количества механосенсорных щетинок, расположенных в глазах и на голове, что делает эту часть тела приоритетом очистки.
«Мухи в темноте все равно будут сначала чистить глаза. Слепые мухи все равно будут сначала чистить глаза», - сказал Симпсон. Но у «лысых» мух (тех, у кого нет щетинок) сначала будет слабее тянуть к глазам.
Сенсорные входные данные, которые получают мухи - не только механические, но и визуальные, обонятельные и через другие органы чувств - отправляются в специализированные области их мозга, а затем в пока еще в значительной степени неизвестные нейронные цепи, которые координируют решения о том, что делать, а что нет. делать.
«Такие вычисления производятся их нервной системой», - сказал Чжан. «Следующий шаг - выяснить, какие нейроны и какие схемы проводят это сравнение». Это высокий заказ, даже для относительно простой фруктовой мухи, учитывая тысячи нейронов, которыми она обладает. Но благодаря генетическим инструментам, электрическим схемам на основе данных электронной микроскопии и методам функциональной визуализации исследователи в этой области могут начать успешно.
Эти поведенческие эксперименты являются ключевой подсказкой. «Теперь у нас есть лучшее представление о том, какие схемы нам следует искать из-за поведенческих доказательств важности пространственных сравнений», - сказал Симпсон.
