Первый взгляд в мозг свободно передвигающейся плодовой мушки

Исследователи из Института мозга и разума Кавли в Калифорнийском университете в Сан-Диего разработали технику визуализации активности мозга у свободно передвигающейся плодовой мушки. Работая с одним из самых распространённых модельных организмов в науке, Drosophila melanogaster, команда впервые показала, что происходит в мозге мухи во время ухаживания — когда она не обездвижена.

Новая система визуализации, названная исследователями «Flyception», описана в Nature Methods.

Визуализация мозга у плодовых мушек широко распространена. Но большинство обычных техник требуют иммобилизации головы мухи под микроскопом. Представьте на мгновение, что вас попросили пойти на первое свидание, пристёгнутым внутри аппарата фМРТ. Было бы довольно сложно вести себя естественно (не говоря уже о том, чтобы быть очаровательным). У плодовых мушек была та же проблема.

Из-за ограничений мозговые реакции во время многих фундаментальных поведенческих актов мух остаются плохо изученными. Новая технология, по словам исследователей, может это изменить, позволив учёным получить представление о нейронных процессах, лежащих в основе спаривания, борьбы, сна, обучения и памяти.

Решение команды из Калифорнийского университета в Сан-Диего включает два технических новшества.

1. Имплантируемое окно

Исследователи создали окно для визуализации на голове плодовой мушки. Они хирургически удалили экзоскелет с верхней части головы (размером с несколько крупинок соли) и запечатали отверстие прозрачным силиконовым клеем. Затем они поместили на голову небольшой кусочек покровного стекла, чтобы создать плоскую поверхность, пригодную для визуализации. Это окно обеспечивает вид на протоцеребрум, или верхнюю половину мозга мухи.

2. Система отслеживания в реальном времени

Они разработали методы компьютерного зрения для отслеживания свободно идущей мухи с беспрецедентной скоростью и точностью. Система построена с использованием вращающихся зеркал, установленных непосредственно над ареной для ходьбы, где находится муха, и использует три камеры.

• Когда муха идёт, зеркала, управляемые камерой с низким увеличением, вращаются, чтобы муха попала в поле зрения второй, более скоростной камеры с большим увеличением. Эта камера дополнительно корректирует положение зеркал так, чтобы голова мухи точно позиционировалась в центре обзора.
• Лазерный луч, также нацеленный на движущиеся зеркала (и, следовательно, на голову мухи), возбуждает флуоресцентные генетические маркеры, связанные с определёнными нейронами в мозге.
• Третья камера, высокочувствительная, записывает активность этих нейронов.

Всё это происходит в реальном времени со скоростью 1000 кадров в секунду.

Предыдущие исследования пытались имитировать свободное поведение мух. Один из подходов, например, включает «беговую дорожку» для мухи, где привязанная муха ходит по шару, подвешенному на воздушной подушке, и ей предъявляются различные стимулы в своего рода виртуальной реальности. Но оставалось сложно изучать у обездвиженных мух фундаментальные виды активности, необходимые для выживания, или сложные формы социального поведения, при которых мухи добровольно взаимодействуют друг с другом.

Хотя мозг мухи и млекопитающих анатомически довольно различен, есть свидетельства сходства в генетическом программировании и сетевой связности. Преимущество изучения мозга плодовой мушки в том, что он относительно мал (около 100 000 нейронов), но достаточно сложен, чтобы демонстрировать социальное и когнитивное поведение. Недавние исследования также предполагают наличие у мух некоторых эмоциональных поведенческих актов. Другое преимущество — доступность мощных генетических и молекулярных инструментов для манипулирования и записи нейронной активности на уровне отдельной клетки.

«Визуализация мозга необходима для продвижения нашего понимания нейронных механизмов, лежащих в основе поведения и познания, — сказал соответствующий автор Такео Кацуки. — Одна из самых больших целей современных нейробиологических исследований — как это очерчено национальной инициативой BRAIN — картировать активность мозга в масштабе всего мозга у естественно ведущих себя животных, чтобы мы могли понять, как функции высшего порядка и расстройства возникают благодаря согласованной активности нескольких областей мозга. Технология, которую мы разработали, предоставляет первый шаг к этой цели, позволяя отслеживать активность мозга у естественно ведущих себя плодовых мушек».