Авторы нового исследования пролили свет на то, как дрозофилы ориентируются, выявив связь между их внутренним компасом и управляющими областями мозга. Это исследование показывает, что три отдельные группы нейронов преобразуют направленные сигналы в корректирующие действия, позволяя дрозофилам эффективно корректировать свой курс.
Эти открытия не только углубляют наше понимание навигации у более простых организмов, но и закладывают фундамент для будущих исследований нейронных основ поведения у более сложных видов, включая человека.
Исследуя тонкости мозга плодовых мух, ученые раскрыли фундаментальные принципы когнитивной обработки и корректировки поведения, предлагая понимание того, как внутренние когнитивные состояния, такие как чувство направления, преобразуются в осязаемые действия.
Наше чувство направления имеет важное значение для нашей способности ориентироваться в окружающем нас мире. Оно действует как внутренний компас мозга, помогая нам найти путь и, что не менее важно, побуждая нас изменить курс, когда мы движемся в неправильном направлении.
Тем не менее, несмотря на большое количество исследований о том, как работает навигация в мозге, ученым до сих пор не хватает четкого понимания того, как этот внутренний компас напрямую управляет поведением.
Теперь исследование, проведенное на плодовых мушках учеными из Гарвардской медицинской школы (Harvard Medical School), предлагает новое понимание того, как две отдельные области мозга — место компаса и рулевой центр — взаимодействуют во время навигации. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nature.
В ходе исследования ученые изучили мозг плодовых мух, сбившихся с курса во время передвижения в определенном направлении. Ученые обнаружили, что три отдельные группы нейронов обеспечивают связь между компасом и управляющими областями мозга и работают вместе, помогая мухе корректировать курс. При этом нейроны преобразуют сигналы внутреннего компаса мухи в поведение, поддерживая ее движение в правильном направлении.
«До сих пор никто толком не знал, как чувство направления, которое является внутренним когнитивным состоянием, связано с действиями, которые животное совершает в мире», — комментирует автор исследования Рэйчел Уилсон (Rachel Wilson), профессор фундаментальных исследований Джозефа Мартина (Joseph Martin).
Несмотря на свой небольшой размер, плодовые мухи обладают сложным мозгом и поведением — и, таким образом, полученные результаты могут послужить основой для будущих исследований того, как сигналы в мозгу становятся действиями у более сложных видов, включая людей.
Оставаясь в курсе
У людей и других сложных животных есть внутренний компас, состоящий из клеток мозга, который использует внутреннюю и внешнюю информацию для определения направления. Ученые выяснили, что у плодовых мух эти клетки, называемые клетками направления головы, расположены по кругу, что делает их особенно простыми для изучения.
Вопреки своему названию, плодовые мушки проводят больше времени в ходьбе, чем в полете. Предыдущие исследования показали, что когда мухи передвигаются, эти клетки направления головы активно отслеживают их вращательные движения, например поворот вправо или влево.
В новом исследовании Уилсон с соавторами решили изучить, как компас функционально связан с управляющей областью мозга, чтобы понять, как он управляет навигацией.
Для этого ученые использовали существующую схему подключения каждой нейронной связи в мозгу плодовой мухи, чтобы построить вычислительную модель того, как могут быть связаны эти области. С помощью этой модели исследователи смогли идентифицировать и сделать прогнозы о слое нейронов, соединяющем эти две области.
Чтобы подтвердить свои прогнозы, ученые проанализировали активность слоя нейронов, идентифицированного моделью, когда мухи гуляли в среде виртуальной реальности. Зачастую мухи передвигались в случайном направлении, вероятно, пытаясь выбраться из окружающей среды.
Когда их виртуальный мир был повернут, чтобы сбить их с курса, мухи быстро скорректировали курс. Интересно, что эти корректировки курса осуществлялись тремя отдельными группами нейронов: две группы нейронов подталкивали муху вправо или влево, а одна подавала сигнал полностью развернуться.
«Вы можете думать об этих трех группах нейронов как о трех часовых, охраняющих замок, — комментирует Уилсон, — каждый из которых отвечает за наблюдение в своем направлении и внесение корректировок, необходимых для продолжения движения мухи к своей цели».
Результаты объясняют, как плодовые мухи используют свое чувство направления, чтобы оценить, где они находятся по отношению к цели, и как они используют эту оценку для корректировки своего поведения.
«Это действительно конкретное описание того, как работает сложный когнитивный процесс и как он вызывает определенное управляемое поведение в реальном времени», — добавляет Уилсон.
Результаты дополняют второе исследование, также опубликованное в научном журнале Nature под руководством отдельной группы исследователей из Университета Рокфеллера (Rockefeller University), в котором описываются части той же нейронной цепи у плодовых мух.
В совокупности эти два исследования дают еще более полное понимание того, как чувство направления влияет на поведение животных.
Сильная отправная точка
Уилсон считает, что наблюдения ее команды имеют значение, выходящее за рамки выявления связей между компасом мозга и управляющими областями. Результаты дают важные подсказки о формате и расположении навигационных целей в мозгу и могут проложить путь к пониманию того, как хранятся другие типы целей.
«Я думаю, мы затронули один из самых загадочных аспектов функционирования мозга, а именно то, как мы храним информацию и намерения в нашем сознании в скрытой форме, а затем действуем в соответствии с ними», — объясняет Уилсон, добавив, что даже насекомые обладают этой способностью. «В будущем мы собираемся выяснить, как это работает».
Уилсону также интересно узнать больше о трех группах нейронов, выявленных в ходе исследования, а также о том, существуют ли аналогичные группы нейронов, отвечающие за тонкую и грубую настройку, в других сетях мозга.
«У нас есть подозрение, что это на самом деле основной принцип функционирования мозга и может объяснить множество, казалось бы, дублирующих путей в мозге», — комментирует Уилсон.
Уилсон добавил, что, поскольку у плодовых мух сложный мозг и поведение, они являются хорошей отправной точкой для изучения аспектов познания, существующих у видов более высокого порядка, таких как мыши или люди.
«Поняв систему в одном маленьком мозге, я думаю, мы добились важного прогресса в формировании четких гипотез о том, как она может работать в более сложном мозге», — заключает автор исследования. «На данный момент я не вижу очевидного конца сходству между видами».
Авторы другого исследования утверждают, что еавигация человека зависит от обоняния.
Невролог, мануальный терапевт, рефлексотерапевт АО «СЗЦДМ» (г. Санкт-Петербург), редактор и автор статей
Ведёт пациентов неврологического профиля с полным неврологическим осмотром, разработкой плана обследования и схемы лечения пациента (в остром периоде, на этапе реабилитации), динамическое наблюдение.
