Новое исследование Массачусетского технологического института показывает, как окружающая среда и состояние интегрируются в управление поведением. Они подробно изучили механизмы, которые контролируют уровни одного обонятельного рецептора в одном обонятельном нейроне червя C. elegans в зависимости от текущего состояния и испытываемых раздражителей.
Простая животная модель показывает, как стимулы и состояния, такие как запахи, стрессоры и сытость, сходятся в обонятельном нейроне, чтобы направлять поведение поиска пищи.
Представьте, что вы живете напротив пекарни. Когда вы голодны, вас может соблазнить аромат, доносящийся через ваше окно. Однако когда вы сыты , то желания нет. Иногда кажется, что заглянуть за булочкой проще простого, но вдруг там оказывается ваш злобный бывший. Ваш мозг уравновешивает множество факторов, влияющих на то, что вы будете делать.
Пример этой работы на гораздо более простом животном подробно описан в новом исследовании Массачусетского технологического института . Он подчеркивает потенциально фундаментальный принцип того, как нервная система объединяет множество факторов, чтобы управлять поведением, связанным с поиском пищи.
Все животные сталкиваются с проблемой взвешивания различных сенсорных сигналов и внутренних состояний при формулировании поведения, но ученые мало знают о том, как это происходит на самом деле. Чтобы получить более глубокое понимание , исследовательская группа из Института обучения и памяти Пикауэра обратилась к червю C. elegans , чьи четко определенные поведенческие состояния и нервная система из 302 клеток делают сложную проблему, по крайней мере, разрешимой. Они появились в ходе тематического исследования того, как в важнейшем обонятельном нейроне, называемом AWA, сходятся многие источники информации о состоянии и сенсорной информации, чтобы независимо подавлять экспрессию ключевого рецептора запаха. Интеграция их влияния на изобилие этих рецепторов затем определяет, как AWA направляет бродяжничество в поисках пищи.
Нейрон AWA простирается от мозга червя до его носа. Новое исследование показывает, что мозг направляет многие внутренние состояния и сенсорные сигналы к этому нейрону, влияя на экспрессию обонятельного рецептора. Сумма этих влияний определяет поведение в поисках пищи.
«В этом исследовании мы проанализировали механизмы, которые контролируют уровни одного обонятельного рецептора в одном обонятельном нейроне, основываясь на текущем состоянии и стимулах, которые испытывает животное», — говорит старший группы Стивен Флавелл, доцент Lister Brothers в отделе MIT " Мозг и когнитивные науки". «Понимание того, как происходит интеграция в одной клетке, укажет путь к тому, как это может происходить в целом, в других нейронах червей и у других животных».
Доктор Массачусетского технологического института Ян Маклахлан руководил исследованием, которое недавно было опубликовано в журнале eLife. Он сказал, что команда не ожидала, что они узнают, когда начинали.
«Мы были удивлены, обнаружив, что внутренние состояния животного могут иметь такое влияние на экспрессию генов на уровне сенсорных нейронов — по сути, голод и стресс вызывали изменения в том, как животное воспринимает внешний мир, изменяя то, на что реагируют сенсорные нейроны». Он говорит: «Мы также были рады видеть, что экспрессия хеморецепторов зависела не только от одного входа, но и от всей совокупности внешней среды, статуса питания и уровня стресса. Это новый взгляд на то, как животные кодируют конкурирующие состояния и стимулы в своем мозгу».
Действительно, Маклахлан, Флавелл и их команда не искали специально нейрон AWA или специфический обонятельный хеморецептор, получивший название STR-44. Они возникли из объективных данных, которые они собрали, когда посмотрели, какие гены изменились в экспрессии больше всего, когда червей не кормили в течение трех часов по сравнению с тем, когда они были хорошо накормлены. Как категория, гены многих хемосенсорных рецепторов показали огромные различия. AWA оказался нейроном с большим количеством этих генов с повышенной регуляцией, и два рецептора, STR-44 и SRD-28, оказались особенно заметными среди них.
Один только этот результат показал, что внутреннее состояние (голод) влияло на степень экспрессии рецептора в сенсорном нейроне. Затем Маклахлан и его соавторы смогли показать, что экспрессия STR-44 также независимо менялась в зависимости от присутствия стрессового химического вещества, запаха пищи и того, получал ли червь метаболические преимущества от употребления пищи. Дальнейшие тесты, проведенные со вторым автором Талией Крамер, аспиранткой, показали, какие запахи вызывают STR-44, что позволило исследователям продемонстрировать, как изменения в экспрессии STR-44 в AWA напрямую влияют на поведение при поиске пищи. И еще одно исследование определило точные молекулярные и схемные средства, с помощью которых эти различные сигналы попадают в AWA, и то, как они действуют внутри клетки, изменяя экспрессию STR-44.
Например, в одном из экспериментов команда Маклахлана и Флавелла показала, что, хотя и сытые, и голодные черви будут извиваться в сторону любимых запахов рецепторов, если они будут достаточно сильными, только голодные черви (которые экспрессируют больше рецептора) могут обнаруживать более слабые концентрации. В другом эксперименте они обнаружили, что, хотя голодные черви замедляют прием пищи по достижении источника пищи, даже когда сытые черви проплывают мимо, они могут заставить сытых червей вести себя как голодные, искусственно увеличив экспрессию STR-44. Такие эксперименты показали, что изменения экспрессии STR-44 оказывают прямое влияние на поиск пищи.
Другие эксперименты показали, как несколько факторов влияют на STR-44. Например, они обнаружили, что когда они добавляли химическое вещество, вызывающее стресс у червей, это приводило к снижению экспрессии STR-44 даже у голодных червей. А позже они показали, что тот же самый стрессор подавлял желание червей извиваться в сторону запаха, на который реагирует STR-44. Точно так же, как вы можете не ходить за своим носом в пекарню, даже когда голодны, если вы видите там своего бывшего, черви сопоставляют источники стресса со своим голодом, решая, стоит ли приближаться к еде. Исследование показывает, что они делают это, основываясь на том, как эти различные сигналы и состояния влияют на экспрессию STR-44 в AWA.
В нескольких других экспериментах изучались пути нервной системы червя, которые передают AWA сенсорные сигналы, сигналы голода и активного приема пищи. Технический помощник Мальвика Дуа помогла выявить, как другие нейроны, чувствительные к еде, влияют на экспрессию STR-44 в AWA через передачу сигналов инсулина и синаптические связи. Сигналы о том, активно ли червь ест, поступают в AWA от нейронов в кишечнике, которые используют молекулярный датчик питательных веществ под названием TORC2. Все они, а также путь обнаружения стресса действовали на FOXO, который является регулятором экспрессии генов. Другими словами, все входы, влияющие на экспрессию STR-44 в AWA, делали это, независимо толкая один и тот же молекулярный рычаг.
Flavell и McLachlan отмечают, что такие пути, как инсулин и TORC2, присутствуют не только в сенсорных нейронах других червей, но и у многих других животных, включая человека. Более того, сенсорные рецепторы активировались при голодании в большем количестве нейронов, чем только в AWA. Эти совпадения предполагают, что механизм, открытый ими в AWA для интеграции информации, вероятно, действует в других нейронах и, возможно, у других животных, говорит Флавелл.
И, добавляет Маклахлан, основные выводы из этого исследования могут помочь в исследованиях того, как передача сигналов между кишечником и мозгом через TORC2 работает у людей.
«Это становится основным путем передачи сигналов от кишечника к мозгу у C. elegans, и я надеюсь, что в конечном итоге он будет иметь трансляционное значение для здоровья человека», — говорит Маклахлан.
Помимо Маклахлана, Флавелла, Крамера и Дуа, другими авторами статьи являются Мэтью Гомес и Угур Даг из Массачусетского технологического института, а также Элизабет ДиЛорето и Джаган Шринивасан из Вустерского политехнического института.
Фонд JPB, Национальные институты здравоохранения, Национальный научный фонд, Фонд Макнайта и Фонд Альфреда П. Слоана предоставили финансирование для исследования.