Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Черви выбрали пищевое поведение с помощью простой нейронной цепи

Ji et. al. / eLife, 2021

Исследователи описали нейронную цепь, которая позволяет червям выбирать между оседлым и подвижным пищевым поведением. Для этого ученые записали активность нейронов нематод в обоих состояниях и проанализировали ее при помощи нейросетевого классификатора. Оказалось, существует нейрон, способный переключать цепи, соответсвующие двум состояниям, на основе запаха еды. Препринт исследования опубликован на сайте журнала eLife.

Нематоды Caenorhabditis elegans, как и другие животные, способны долгое время поддерживать типы поведения: например, сон, питание или агрессия. В то же время червям важно быстро реагировать на меняющиеся условия среды и изменять свое поведение соответственно им. Однако до сих пор не до конца понятно, как нейроны нематод управляют таким переключением.

Например, при питании — обычно черви едят бактерии — животные могут находиться в двух состояниях: оседлом (dwelling) и подвижном (roaming). Каждое из состояний может длиться до десяти минут, а переключение зависит от уровня сытости, сенсорных стимулов или даже запахов. Известно, что на это переключение влияют нейромодуляторы — серотонин (стимулирует подвижность) и пигментный дисперсный фактор (ПДФ, стимулирует оседлость).

Исследователи из Массачусетского технологического института под руководством Ни Жи (Ni Ji) определили нейронную цепь, которая выполняет нейромодуляторное переключение. Для этого биологи сначала записали активность десяти нейронов у свободно двигающихся червей. В число этих клеток вошли те, что производят нейромодуляторы серотонин и ПДФ, либо рецепторы к ним, а также связанные с такими нейронами клетки и нейроны передвижения.

Из-за того, что в состоянии подвижности черви часто меняют направление движения на противоположное, биологи в первую очередь проверили, как активность выбранных нейронов зависит от его изменения. Естественную нейронную сеть нематод проанализировали при помощи нейросети-классификатора — оказалось, паттерны активности нейронов в двух состояниях отличались достаточно, чтобы отличить их с эффективностью более 95 процентов.

После этого биологи оценили, как система нейромодуляторов воздействует на паттерны активности каждого из состояний. Для этого работу нейронов записали снова — но уже у нематод со «сломанными» генами систем нейромодуляторов: серотонина, ПДФ или обоих. Исследователи обнаружили, что активность нейрон а NSM у животных без мутаций коррелирует с замедлением — то есть с оседлостью и, соответсвенно, работой серотониновой системы. У мутантов без мутаций нейрон был активен меньшее количество времени. Дальнейшие исследования мутантов позволили найти еще один нейрон — MOD-1 — который взаимно ингибировал NSM. Таким образом, NSM — серотониновый нейрон, который способен усиливать сам себя через подавление MOD-1.

Ученые продолжали записывать активность разных нейронов червей с разными мутациями и им удалось построить простой контур, который переключал состояния червя в зависимости от активности нейронов, которые регулируются серотонином или ПДФ. Если в такую систему входит серотонин — контур работает на генерацию оседлости, а если ПДФ — на подвижность. Эту систему контролировал нейрон AIA, «выбирающий» один из контуров в зависимости от данных об условиях окружающей среды — количества пищи вокруг червя. Эту гипотезу подтвердило исследование активности AIA в условиях с разным количеством пищи.

Процесс поиска пищи по запаху — хемотаксис — изучила другая группа биологов. В недавнем исследовании они показали, как активность нейронов рецепторного органа и ганглия позволяют животным ощущать концентрацию нужных веществ и двигаться в их направлении.

Анна Муравьёва

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.