Ненаследуемые особенности строения мозга определили поведение дрозофил

Индивидуальность в поведении мух не зависит от генетических особенностей. Отличия обусловлены межполушарной асимметрией проекций нейронов, связи которых распределяются случайным образом в процессе созревания клеток. Статья опубликована в журнале Science.

Нет двух одинаковых организмов, даже если они генетически идентичны, ведь на развитие всегда влияет множество стохастических факторов. Естественно, индивидуальная изменчивость касается и мозга, различается его вес, размер, анатомические особенности и даже морфология отдельных нейронов. Индивидуально и врожденное поведение, однако не ясно, что именно лежит в основе этой изменчивости: способность нейронных сетей функционировать пластично или же случайные различия в их анатомии, которые возникают в процессе развития организма.

Изучать особенности мозга отдельной особи на клеточном уровне удобно на беспозвоночных, ведь у них легко наблюдать за отдельными нейронами. Один из популярных модельный объектов у биологов — мухи Drosophila — подходит и для исследования корреляций особенностей анатомии нервной системы с поведением. Мозг этих насекомых содержит всего 100 тысяч нейронов и хорошо изучен. 

В области мозга дрозофил, которая отвечает за обработку зрительной информации, есть скопление нервных клеток (дорсальный кластер), проекции которых значительно вариабельны между особями и даже между двумя полушариями одной и той же мухи. Аксоны этих нейронов идут в один из двух отделов зрительной системы: медуллу или лобулу. То, куда именно направит свою проекцию каждый отдельно взятый нейрон, обусловлено случайными событиями в процессе его развития.

Группа ученых из Бельгии, Германии и Франции под руководством Герита Линневебера (Gerit Linneweber) из Университета Сорбонна исследовала связь между индивидуальными особенностями связей в мозге дрозофил и поведением. Для этого использовали парадигму Буридана, которая позволяет определить реакцию насекомых на зрительные стимулы. Мух помещали на белое равномерно освещенное поле; на стенках арены напротив друг друга были расположены две вертикальные черные полосы. Насекомые не могли дойти до этих полос, и перемещались между ними. В таких условиях мухи обычно ходят вперед и назад от одного контрастного объекта к другому, но некоторые дрозофилы обследуют всю арену равномерно. Таким образом, поведение насекомых в этой парадигме очень индивидуально. Для того, чтобы оценить это количественно, авторы работы использовали среднее отклонение траектории мух от прямой линии между двумя полосками.

Чтобы проверить, зависит ли поведение дрозофил в этой парадигме от наследственности, ученые сравнили особей из 10 разных линий, внутри которых геном мух практически не отличается. Затем исследователи скрестили пару дрозофил, которые перемещались по самой широкой траектории, и насекомых, отклонение которых от центральной линии было минимально, и сравнили реакции их потомков. Ученые также проверили, меняется ли поведение дрозофил со временем, для чего их тестировали каждый день в течение четырех недель.

Индивидуальные особенности поведения мух не зависели от генетической линии и не наследовались, зато были устойчивы в течение месяца наблюдений.

У 103 мух исследовали нейроны дорсального кластера и определили, куда уходят аксоны каждого из них. Всего в этой области насчитали от 22 до 68 нейронов, и 11-55 из них направляли свои аксоны в лобулу, а 6-23 — в медуллу. Кроме того, существует межполушарная ассиметрия проекций этих клеток у каждого из насекомых.

Когда дорсальный кластер инактивировали, отклонение траектории дрозофил от линии, которая соединяла вертикальные полосы,  увеличивалось. Если эта область мозга работала нормально, ученые наблюдали корреляцию между поведением насекомых и межполушарной ассиметрией: особи, у которых число нейронов, аксоны которых идут в медуллу, было близким для двух половин мозга, перемещались по всему полю. А дрозофилы с ассиметричными проекциями отклонялись от центральной линии значительно меньше. При ингибировании дорсального кластера поведение насекомых не зависело от степени межполушарной ассиметрии.

Функциональные связи нейронов лежат в основе работы мозга, поэтому их изучение необходимо для понимания связи морфологии с поведением. В 2016 году ученые из Японии смоделировали полный коннектом (карту связей) дрозофилы, а годом позже машинное обучение помогло создать функциональный атлас мозга этих насекомых.

Алиса Бахарева