Naukowcy stworzyli muszki owocówki, którym wbudowali hamulec. Wystarczy prosty bodziec

Naukowcy z Max Planck Florida Institute for Neuroscience dokonali interesującego odkrycia, które może zmienić nasze postrzeganie działania mózgu. Udało im się stworzyć muchy, które zatrzymują się na komendę, a co ważniejsze – zrozumieli, jakie mechanizmy neuronalne stoją za tym prostym, a zarazem niezwykle złożonym zachowaniem.

Badacze z Florydy zmodyfikowali genetycznie muszki owocówki, tak aby reagowały na czerwone światło. Kiedy wiązka światła padała na ich oczy, owady natychmiast przestawały się poruszać. To samo w sobie jest fascynujące, ale prawdziwą sensacją jest to, co działo się w mózgach tych małych stworzeń.

Dzięki temu odkryciu naukowcy zrozumieli dokładne mechanizmy neuronowe zaangażowane w zatrzymywanie się. Ich odkrycia, opublikowane w Nature, mają implikacje wykraczające daleko poza kontrolowanie zachowania muchy. Pokazują, jak mózg angażuje różne mechanizmy neuronowe w zależności od kontekstu środowiskowego.

Żeby żyć, trzeba się zatrzymać

Zatrzymanie jest działaniem krytycznym, niezbędnym dla niemal wszystkich zachowań zwierząt. Podczas żerowania, gdy wykryje jedzenie, zwierzę musi się zatrzymać; gdy jest brudne, musi się zatrzymać, aby się wyczyścić. Umiejętność zatrzymywania się, choć pozornie prosta, nie została dobrze zrozumiana przez naukowców, ponieważ obejmuje złożone interakcje z konkurencyjnymi zachowaniami, takimi jak chodzenie.

Dr Salil Bidaye, z Max Planck Florida, jest ekspertem w wykorzystywaniu owadów Drosophila Melanogaster (gatunku znanego również jako muszka owocowa), do zrozumienia, w jaki sposób aktywność obwodów neuronowych prowadzi do precyzyjnych i złożonych zachowań, takich jak nawigowanie w środowisku.

Po wcześniejszym zidentyfikowaniu neuronów krytycznych dla ruchu do przodu, do tyłu i skręcania, dr Bidaye i jego zespół skupili się na zatrzymywaniu się.

Poruszanie się po świecie opiera się na zatrzymywaniu się we adekwatnym czasie, w takim samym stopniu, jak na chodzeniu. Jest to najważniejsze dla ważnych zachowań, takich jak jedzenie, łączenie się w pary i unikanie zagrożenia. Byliśmy zainteresowani zrozumieniem, w jaki sposób mózg kontroluje zatrzymywanie się i gdzie sygnały zatrzymania zastępują sygnały chodzenia

Wykorzystując moc muszki owocowej jako modelu badawczego, w tym uproszczony układ nerwowy zwierzęcia, krótką długość życia i dużą liczbę potomstwa, Bidaye i jego zespół wykorzystali badanie genetyczne do zidentyfikowania neuronów, które inicjują zatrzymanie.

Używając optogenetyki do aktywowania określonych neuronów poprzez świecenie czerwonym światłem, naukowcy włączyli małe grupy neuronów, aby zobaczyć, które powodują zatrzymanie się swobodnie chodzących much.

Więcej o zwierzętach i technologii przeczytasz na Spider’s Web:

Dwa mechanizmy zatrzymywania

Naukowcy odkryli, iż trzy unikalne typy neuronów, nazwane Foxglove, Bluebell i Brake, powodowały, iż muchy zatrzymywały się po aktywacji. Poprzez staranną i precyzyjną analizę naukowcy ustalili, iż mechanizmy zatrzymywania much różniły się w zależności od tego, który neuron był aktywny.

Neurony Foxglove i Bluebell hamowały odpowiednio chodzenie do przodu i skręcanie, podczas gdy neurony Brake ignorowały wszystkie polecenia chodzenia i zwiększały opór stawów nóg.

Ta mapa pokazuje dokładną lokalizację i rozmieszczenie 50 największych neuronów konektomu mózgu muchy. Te 50, wraz z innymi 139 205 komórkami mózgowymi w mózgu dorosłej muszki owocowej, zostało pieczołowicie zmapowanych przez zespół neurobiologów pod kierownictwem Uniwersytetu Princeton. Aktywność w obrębie tych neuronów (komórek mózgowych) napędza wszystko, co robi organizm, od percepcji sensorycznej po podejmowanie decyzji i kontrolowanie lotu. Komórki mózgowe są połączone ponad 50 milionami połączeń (synaps). Fot. Tyler Sloan i Amy Sterling / FlyWire / Uniwersytet Princeton

Zespół badawczy z kilku uniwersytetów i instytutów połączył dane ze schematów połączeń i różne podejście do tematu, aby uzyskać holistyczne zrozumienie mechanizmów behawioralnych, mięśniowych i neuronalnych, które wywołały zatrzymanie się muchy.

Co oznacza w tym przypadku holistyczny? To pojęcie wykracza poza proste sumowanie poszczególnych elementów i odnosi się do całości, gdzie całość jest czymś więcej niż sumą części. Badacze odkryli, iż aktywacja różnych neuronów nie zatrzymywała muchy w ten sam sposób, ale wykorzystywała unikalne mechanizmy, które nazwali „Walk-OFF” i „Brake” (Chodzenie wyłączone i Hamowanie).

Chodzenie wyłączone

Jak sama nazwa wskazuje, mechanizm „Walk-OFF” działa poprzez wyłączenie neuronów, które napędzają chodzenie, podobnie jak zdjęcie stopy z pedału gazu w samochodzie. Ten mechanizm, używany przez neurony Foxglove i Bluebell, opiera się na hamującym neuroprzekaźniku GABA, który tłumi neurony w mózgu, które indukują chodzenie.

Mechanizm „hamulca”, z drugiej strony, stosowany przez pobudzające neurony hamulca w rdzeniu nerwowym, aktywnie zapobiega stawianiu kroków poprzez zwiększanie oporu w stawach nóg i zapewnianie stabilności postawy.

Mechanizm ten jest podobny do naciskania hamulca w samochodzie, aby aktywnie zatrzymać koła przed obracaniem się. I tak jak zdejmujesz nogę z gazu, aby nacisnąć hamulec, mechanizm „hamulca” hamuje również neurony wspomagające chodzenie, oprócz zapobiegania stawianiu kroków.

A komu to potrzebne?

Badania na muszkach owocówkach mogą wydawać się odległe od naszych codziennych problemów, ale w rzeczywistości mają ogromne znaczenie. Po pierwsze, pozwalają nam lepiej zrozumieć, jak działa nasz własny mózg. W końcu, mimo iż jesteśmy znacznie bardziej skomplikowanymi stworzeniami niż muszki, podstawowe mechanizmy neuronalne są u nas bardzo podobne.

Po drugie, to odkrycie może mieć zastosowanie w wielu dziedzinach, od medycyny po robotykę. Wyobraźmy sobie, iż w przyszłości będziemy mogli leczyć choroby neurodegeneracyjne, takie jak choroba Parkinsona, poprzez precyzyjne manipulowanie aktywnością określonych neuronów. Albo stworzymy roboty, które będą w stanie podejmować bardziej złożone decyzje i reagować na zmiany w środowisku.

Odkrycie naukowców z Max Planck Institute to dopiero początek. Przed nami jeszcze wiele lat badań, które pozwolą nam rozwikłać tajemnice działania mózgu. Jedno jest pewne – dzięki takim przełomom zbliżamy się do momentu, w którym będziemy mogli nie tylko obserwować, ale także wpływać na to, jak myślimy i działamy.

Główna ilustracja: Muszka owocowa (Drosophila melanogaster) żywiąca się bananem. Fot. Sanjay Acharya, CC BY-SA 4.0