Оптогенетика помогла вживить песни в мозг зебровых амадин
Американским ученым удалось внести информацию о песнях в мозг молодых зебровых амадин (Taeniopygia guttata). Для этого они с помощью оптогенетики активировали синапсы нейронов отделов, участвующих в производстве песен, тем самым показав их важную роль в первичном формировании репертуара. Птицы успешно научились петь, но элементы песен, выученных таким способом, отличались от классически формируемых при социальном или индивидуальном обучении, а их длительность повторяла используемые при стимуляции импульсы. Работа опубликована в журнале Science.
Главный способ коммуникации многих видов птиц — пение: с помощью него они привлекают потенциальных партнеров, тем самым обеспечивая успех полового отбора, отпугивают хищников, сообщают об опасности и просто общаются между собой (а иногда — и с представителями других видов). Основной механизм получения информации о правильном пении — социальное обучение: взрослые самцы (песни, в основном, нужны именно им) учат своих птенцов петь, а если точнее — птенцы запоминают песни, спетые родителем, а потом успешно имитируют их уже во взрослом возрасте.
За процесс производства песен отвечают два отдела головного мозга птиц: высший вокальный центр (часть гиперстриатума — птичьего аналога неокортекса) и нидопаллиум (аналог префронтальной коры). Нейроны нидопаллиума активируются в зависимости от начала или конца песенного слога, тем самым маркируя начало или конец элемента песни, а высший вокальный центр, будучи частью премоторной коры, обеспечивают моторный контроль частоты и длительности звука.
Разумеется, эти же участки принимают информацию из аудиторной коры и, по сути, должны участвовать в первичном обучении песням. Роль их — совместная или же индивидуальная — в этом процессе, однако, изучена плохо.
Разобраться в этом подробнее решили ученые из Юго-западного медицинского центра Техасского университета под руководством Тодда Робертса (Todd Roberts). Для своего эксперимента они выбрали зебровых амадин: так как эти птицы часто становятся участниками научных исследований, временные и пространственные характеристики их пения изучены достаточно хорошо.
Всего в исследовании поучаствовали 32 молодых птенца, которые еще не научились петь. Их разделили на три группы: 15 птиц обучались пению у взрослых амадин, 10 не учили петь совсем, а еще 7 птицам в аксоны нейронов нидопаллиума с помощью аденоассоциированного вируса ввели светочувствительные каналродопсины. Эти опсины позволили ученым оптогенетически активировать синапсы (места контакта двух нейронов) между нидопаллиумом и высшим вокальным центром. Семь птенцов учили пению именно так — активируя нейроны без всякой слуховой или социальной стимуляции.
Эффективность обучения птиц оценили уже во взрослом возрасте. Песни амадин, которые учились у взрослых, состояли из трех-шести отдельных слогов, каждый длиной около 100 миллисекунд, а всего в репертуар входило около 70 уникальных по временным и пространственным характеристикам элементов. Песни изолированных птиц состояли из четырех-семи элементов, которые были значительно длиннее, а весь репертуар состоял из 61 элемента.
Что касается птиц, которых учили петь с помощью оптогенетики, то их репертуар зависел от длины импульсов, которыми активировали терминали аксонов. У птиц, которых учили с помощью импульсов длиной в 50 миллисекунд, длина отдельных элементов (всего в песни использовались от одного до трех слогов) также составляла около 50 миллисекунд, а при использовании импульсов длиной в 300 миллисекунд отдельные элементы также занимали до 300 миллисекунд, что значительно больше, чем у всех остальных амадин. При этом основные акустические характеристики песенных элементов (например, используемые для исполнения частоты) не отличались между группами, то есть не зависели от способа обучения. Первые изменения голоса начали появляться у всех птиц одновременно — через два-три дня после начала обучения, после чего, в течение месяца, песни приобрели нужную форму.
На основании этого ученые пришли к выводу, что стимуляция нейронов высшего вокального центра и нидопаллиума не просто заставляет птиц петь посредством моторного и сенсорного воздействия, а скорее формирует песни из их далее используемого репертуара. При этом работа этих участков, по-видимому, для запоминания песен оказалась ключевой. Четыре птенца, которых учили петь оптогенетической стимуляцией совместно с социальным взаимодействием со взрослыми птенцами, не смогли воспроизвести песни своих учителей: пространственные и временные характеристики песен совпадали только на 26 процентов, в то время как обычно ученики воспроизводят до 89 процентов характеристик своих учителей.
Наконец, ученые также решили проверить, будет ли активность изученных участков ключевой и далее, после окончания обучения. Для этого они повредили связи между нидопаллиумом и высшим вокальным центром до или после социального обучения птиц. Оказалось, что повреждение участков до начала обучения нарушает формирование репертуара: птицы воспроизводят только 37 процентов услышанных от учителя мотивов. В то же время повреждение, нанесенное после обучения, репертуара не меняет, и птицы эффективно повторяют до 86 процентов выученных характеристик.
Авторы работы пришли к выводу, что оптогенетическая стимуляция важных для обучения песням участков мозга амадин может эффективно заменить социальную и слуховую стимуляцию при обучении. С одной стороны, это показывает, что связь высшего вокального центра с нидопаллиумом в формировании репертуара играет ключевую роль. С другой стороны, воспоминания о песнях, по-видимому, после формирования хранятся уже в других отделах, так как повреждение пути от нидопаллиума к высшему вокальному центру после того, как все песни были выучены, никак на исполнение амадин не влияло.
Песенные репертуары птиц сильно отличаются между собой, что позволяет орнитологам эффективно определять отдельные виды. Попробовать себя в птичьем распознавании по голосу вы можете с помощью нашего теста «Различимы на слух».
Елизавета Ивтушок
Это произошло после формирования нейронной связи между клетками циркадных часов и Dh44-нейронами
Биологи определили момент, в который циркадные часы начинают управлять циклами сна и бодрствования у личинок плодовых мушек. Оказалось, это происходит в начале третьего дня развития под влиянием новой связи между нейронами циркадных часов и клетками Dh44, которые контролируют бодрствование личинок. Кроме того, после формирования этой связи у личинок появилась долгосрочная память. Исследование опубликовано в журнале Science Advances. Циркадные ритмы у многих видов формируются еще на самых ранних этапах развития. Так, например, у млекопитающих клетки супрахиазматического ядра детеныша синхронизируют свою ритмическую активность еще во время беременности. Однако многие матери новорожденных могут подтвердить, что дети в этом возрасте редко спят ночью и бодрствуют днем — в основном их сон равномерно распределен по суткам. Исследования подтверждают, что циклы сна и бодрствования у младенцев чаще всего появляются от трех до двенадцати месяцев. До сих пор не было понятно, почему, несмотря на работу клеток циркадных часов, циклы сна и бодрствования формируются довольно поздно и как этот процесс влияет на другие функции мозга — например, долговременную память. Исследователи из университета Пенсильвании под руководством Эми По (Amy R. Poe) изучили аналогичный процесс на дрозофилах. Биологи отследили момент, в который у личинок мушек появляются циклы сна и бодрствования — это произошло в начале третьего дня развития. Чтобы понять, что именно происходит с циркадными ритмами в этот момент, исследователи изучили активность нейронов мозга у личинок. Прежде всего они проверили нейроны, которые производят нейропептид Dh44, поскольку они расположены в области циркадных часов у взрослых мушек.Для этого они создали трансгенных насекомых, у которых эти клетки синтезировали теплочувствительный ионный канал. Таким образом, когда личинок помещали в теплую среду, в Dh44-нейронах начинался ионный ток и те активировались. Оказалось, что эти клетки действительно участвуют в регуляции циклов сна: после их активации личинки на второй стадии меньше спали в течение суток (p < 0,0001). Тогда исследователи решили изучить, как активность этих клеток меняется при переходе со второй стадии личинок на третью — в момент появления ритмов сна. Оказалось, активность Dh44 не отличается на первой и второй стадии, но снижается в начале третьей. Это согласовывалось и с повышенным количеством сна у личинок в этот день: активность нейронов снизилась и они перестали оказывать свое бодрящее действие на личинок. Биологи предположили, что в этот момент Dh44-нейроны связываются с клетками, которые задают общий циркадный ритм организму мушек. Для этого они отследили нейронные связи этого мозгового центра. И действительно, при переходе со второй стадии на третью Dh44-нейроны сформировали связь с одной из клеток часов — DN1a. Ученые также подтвердили, что активация DN1a действительно «включает» Dh44 и увеличивает длительность бодрствования у личинок. Тогда исследователи решили проверить, как появление связи циркадных ритмов с циклами сна и бодрствования влияет на другие процессы в мозге насекомых. Зная, что переход памяти из кратковременной в долговременную происходят во время сна, биологи протестировали оба типа памяти у животных. Для этого они использовали стандартный для таких задач тест — проверяли, как личинки запоминают отвратительные запахи. И на второй, и на третьей стадии личинки одинаково хорошо проходили тесты на кратковременную память, а вот долговременная память появилась лишь при переходе между ними. При этом активация Dh44-нейронов, которые снижали количество сна у личинок, нарушала процессы долговременной памяти. Так, биологи не только в подробностях описали, как клетки циркадного ритма начинают контролировать циклы сна и бодрствования, но и показали, что этот процесс очень важен для развития таких сложных когнитивных функций как долговременная память. Сон и память действительно тесно связаны — депривация сна способна даже стирать воспоминания. Недавно мы писали об исследовании, в котором такие воспоминания удалось восстановить у мышей.
