Группа нейробиологов из Рокфеллеровского университета показала в деталях механизм хемотаксиса у круглых червей Caenorhabditis elegans. Оказалось, что сенсорные нейроны в амфиде — хеморецепторном органе круглых червей и вставочные интернейроны, соединяющие рецепторы с ганглием, активизируется при минимальном увеличении концентрации определенных химических веществ. Спустя время эта концентрация становится как бы базовым уровнем, и нейроны вновь активизируются лишь при ее превышении. Если же происходит снижение концентрации, то спайковая активность нейронов затухает. Все вместе это позволяет нематодам двигаться по направлению увеличения градиента концентрации и успешно достигать места ее максимума. Результаты исследования опубликованы в журнале Cell Reports.
В организме круглых червей Caenorhabditis elegans (нематод) всего около 1000 клеток, из них 302 это нейроны. Благодаря небольшому числу нервных клеток, они являются очень удобным модельным организмом для изучения связи поведения с нервной деятельностью. Так, например, уже многие годы исследуется такой поведенческий паттерн как хемотаксис — целенаправленное движение по направлению к химическому раздражителю или же от него. Для круглых червей успешность хемотаксиса определяет их выживание. С его помощью нематоды обнаруживают колонии бактерий, которыми они питаются. Однако в деталях нейронный механизм такого поведения известен не был.
Для изучения связи поведения и активности нейронов исследователи использовали методы микрофлюидики, позволившие отследить увеличение количества кальция в сенсорных нейронах, известных под аббревиатурой AWA и интернейронах AIA. Специальное устройство позволяло отслеживать все эти изменения в динамике в ответ на микроскопические колебания концентрации химического вещества диацетила (имеет сильный запах сливочного масла). Это вещество часто вырабатывают колонии кишечной палочки E. coli, которыми питаются черви, и поэтому его используют для исследований хемотаксиса.
Выяснилось, что сенсорные нейроны реагируют даже на малейшие увеличения концентрации диацетила. Однако если концентрация остается какое-то время неизменной – происходит адаптация и понижение чувствительности. А интернейроны усиливают этот эффект. При снижении же уровня концентрации, активность нейронов вообще угасает. Новый разряд спайков в нервных клетках вызывает лишь очередное повышение концентрации диацетила, превышающее предыдущее, ставшее как бы базовым уровнем. Этот механизм очень тонко настроенной активности нейронов позволяет нематодам двигаться точно по увеличению градиента концентрации диацетила и, таким образом, находить и поедать колонии кишечной палочки.