Термогенетика позволяет ученым контролировать поведение мух, активируя определенные нейроны воздействием тепла. Исследователи считают, что объединение термогенетики с методами, в которых для активации нейронов используется свет (т.н. оптогенетика), может помочь выяснить, как разные нейронные цепи работают вместе, чтобы контролировать сложное поведение и даже привычки.
По словам Барри Диксона, нейробиолога из исследовательского кампуса Janelia Farm в Эшберне, штат Вирджиния, методы оптогенетики имеют большой успех в исследованиях мозга у мышей, но почти не применяются в изучении поведения насекомых. Мухи слишком малы для размещения оптоволоконного зонда, а большинство длин волн видимого света не может проникнуть через экзоскелет мухи - в отличие от тепла. Воспользовавшись этими сведениями, ученые исследуют поведение насекомых, добавляя активируемый теплом белок TRPA1 в нейронные цепи, контролирующие спаривание и принятие решений. Когда этих мух помещают в теплую среду, нейронные цепи активируются и поведение насекомого становится управляемым.
Эксперимент по ускорению времени
Есть ли способ ускорить нервную реакцию? Лаборатория Диксона задалась этим вопросом и разработала систему под названием Fly Mind-Altering Device (FlyMAD), которая использует видеокамеру для отслеживания траектории движения мухи, когда она перемещается в ящике. Устройство направляет пучок ИК излучения на муху, чтобы доставить тепло прямо к головному мозгу. Группа Диксона презентовала систему в октябре прошлого года на конференции по нейробиологии дрозофил в лаборатории Колд-Спринг-Харбор в Нью-Йорке, и теперь он отправляет свою работу в рецензируемый журнал.
В качестве экспериментального подтверждения эффективности системы FlyMAD, группа провела исследование на насекомых с белком TRPA1 в нейронной цепи, отвечающей за проявление ухаживания. Когда исследователи активировали нейроны TRPA1 с помощью лазерного излучения, муха начала пытаться спариваться с шариком воска, кружила над ним и «пела», вибрируя своими крыльями. Муха продолжала «ухаживать» в течение примерно пятнадцати минут после выключения лазера, предполагая, что тепло вызвало длительное сложное поведенческое состояние. Ученые также исследовали мух с белком TRPA1 в нейронах, участвующих в мышечной координации. Мгновенное включение лазера заставляло мух летать назад. Они сразу остановились, когда лазер выключили.
По словам Геро Мизенбека из Оксфордского университета, внедрение белка TRPA1 в нейронные сети насекомых является более удобным методом исследования поведения. Его группа ввела в мозг мух химическое вещество, активируемое светом, которое связывается с рецепторами нейронов, вырабатывающих дофамин, что вызывает у мух чувство страха. Далее команда направляла на насекомых интенсивное лазерное излучение всякий раз, когда насекомое проходило через поток безвредного газа. Это заставляло мозг мухи формировать ложные воспоминания и бояться газа. Однако, в отличие от белка TRPA1, химическая реакция не была обратимой и ее результаты проявлялись после выключения света.
Бенджамин Уайт, нейробиолог из Национального института психического здоровья в Бетесде, штат Мэриленд, говорит, что точный контроль времени поможет найти ответы на вопросы, которые долгое время искали в экспериментах на мышах. Его группа изучает, как мухи принимают решения, например, где приземлиться или отложить яйца, поэтому такая система, как FlyMAD, может помочь расшифровать мгновенные решения.
Работа излучения
Нейробиолог Дэвид Андерсон из Калифорнийского технологического института в Пасадене говорит, что метод введения белка-переключателя TRPA1 интересен тем, что его можно комбинировать с другими, чтобы определить, как разные нейронные цепи работают вместе. Он и его коллеги используют другой переключатель: активируемый светом белок, называемый родопсином, реагирует на длинноволновое излучение, проходящее через экзоскелет насекомого.
Андерсон и Диксон говорят, что они хотели бы поэкспериментировать как с красным, так и с инфракрасным лазером для последовательной активации нейронных цепей, например, чтобы увидеть, какая цепь управляет другой. Лазеры также могут позволить исследователям контролировать поведение нескольких насекомых, когда они взаимодействуют, или активировать взаимоисключающее поведение, например бег вперед и назад одновременно.
© Nature, 2014