Новое исследование показывает, как мозг мухи перенаправляет информацию о запахах для гибкого поведения

Некоторые реакции возникают автоматически, как рефлексы. Другие варьируются в зависимости от обстоятельств и опыта. Например, когда-то приятный запах может быть легко проигнорирован в стрессовый момент или если он напоминает о случае пищевого отравления. Это происходит потому, что в мозге молекулы, известные как нейромодуляторы, перенаправляют информацию об этом запахе.

Новое исследование в Университете Рокфеллера, использующее простую архитектуру мозга плодовой мушки, показывает, как одна из таких молекул — дофамин — действует как оператор на коммутаторе. Результаты, опубликованные 17 декабря 2015 года в журнале Cell, демонстрируют, как он изменяет поток информации, что является основой гибкости поведения.

«Когда мы внимательно изучили область мозга мухи, участвующую в обработке запахов, мы увидели, что высвобождение дофамина в ней может с исключительной точностью изменять силу связей между нейронами», — говорит старший автор Ванесса Рута, доцент и руководитель Лаборатории нейрофизиологии и поведения. — «Это влияет на сообщения, передаваемые в другие части мозга, что, в свою очередь, может привести к разным реакциям на идентичные запахи».

Эта область, известная как грибовидное тело из-за своей формы, отвечает за способность мухи научиться ассоциировать запах с наградой или наказанием. Рута, первый автор Рафаэль Кон (аспирант лаборатории) и соавтор Ианесса Морранте также исследовали, как внутреннее состояние животного — активно оно или спокойно — может влиять на дофамин и, как следствие, на обработку информации.

Простая схема грибовидного тела мухи сделала его идеальным объектом; аналогичное исследование было бы очень сложным в более сложном мозге млекопитающих. Сигналы от носа мухи (её антенн) поступают в грибовидное тело через отростки нейронов, известных как клетки Кеньона. Эти отростки проходят через отдельные компартменты, и в каждом из них они соединяются как с нейронами, производящими дофамин, так и с выходными нейронами, которые передают сигнал другим частям мозга.

Хотя в человеческом мозге нет грибовидного тела, в нём есть дофамин. Этот нейротрансмиттер присутствует во всём животном мире и, как известно, играет ряд важных ролей в функции человеческого мозга, включая обучение и мотивацию, где он функционирует как нейромодулятор.

В экспериментах Рута и её коллеги обнаружили, что дофаминовые нейроны, достигающие двух из четырёх компартментов, активировались, когда мухе давали вкусный сахарный раствор, в то время как два других активировались при кратковременном болезненном ударе током. Такая же взаимная картина активности проявлялась, когда муха была прикреплена к предметному стеклу микроскопа — либо неподвижно, либо дико размахивая ногами — без какого-либо внешнего стимула.

Последний результат подтвердил, что дофаминовая сигнализация участвует не только в обучении; она связана с внутренним состоянием мухи. «Похоже, эти пути создают прекрасное представление о текущем опыте животного в каждый момент времени, генерируя гораздо более сложные и богатые паттерны, чем считалось ранее», — говорит Рута.

Чтобы лучше понять взаимодействие нейронов в грибовидном теле, исследователи модифицировали клетки Кеньона так, чтобы их синаптические окончания светились в результате сигнализации. Это показало, что одна и та же клетка Кеньона может или не может посылать сигнал выходным нейронам в зависимости от компартмента, в котором они встречаются. Также было обнаружено, что дофаминовые нейроны определяют, будет ли этот сигнал отправлен.

«Когда мы искусственно активировали дофаминовые нейроны или предоставляли внешние стимулы, такие как сахарная награда, мы могли изменить реакцию выходных нейронов на запахи», — говорит Кон. — «По сути, дофаминовая сигнализация перенаправляет ход информации вдоль отростка клетки Кеньона и определяет, к какому выходному нейрону она пойдёт».

Это открытие, скорее всего, аналогично действию дофамина в человеческом мозге.

«В мозге млекопитающих дофаминовые нейроны имеют более многочисленные и сложные связи со многими мозговыми центрами», — говорит Рута. — «Тем не менее, человеческие дофаминовые нейроны, вероятно, работают скоординированно, чтобы создать основу для гибкого поведения, как мы видели в мозге мухи».