Картирование мозга пещерных рыб раскрывает нейронное происхождение поведенческой эволюции

Мексиканская тетра Astyanax mexicanus включает речных рыб и множество независимо эволюционировавших популяций слепых пещерных рыб. Поведение между этими популяциями различается, что указывает на широкие различия в структуре и функции мозга.

Новаторское исследование, опубликованное в Science Advances, впервые выявило крупномасштабные различия между речными рыбами и популяциями пещерных рыб A. mexicanus, а также между разными популяциями пещерных рыб. Исследователи выделили 18 анатомических областей по всему мозгу и измерили изменения нейронной активности в этих областях.

Методология

  • Для сравнения анатомии мозга использовали конфокальную визуализацию всего мозга у речных рыб и рыб из пещерных популяций Tinaja, Molino и Pachón.
  • На 684 личинках рыб создали нейроанатомические атласы.
  • Объединили морфометрический анализ, визуализацию нейронных цепей и картирование активности всего мозга, чтобы создать стандартные модели мозга.
  • Количественно оценили объем определенных нейроанатомических областей и специфических нейронных популяций, связанных со сном и питанием.
  • Сопоставили паттерны нейронной активности со стандартными моделями мозга, используя маркировку фосфорилированного киназного сигнала (pERK), чтобы создать полную карту различий активности у бодрствующих, питающихся и спящих рыб.

Результаты

  • Охотничье поведение вызвало широкие изменения мозговой активности во всех четырех популяциях A. mexicanus, вероятно, активируя области мозга, связанные с сенсорной обработкой, насыщением и мотивацией.
  • Активность, связанная со сном, различалась в ростральной зоне гипоталамуса и тегментуме.
  • Изменения в цепях, связанных с питанием, возникают на ранних стадиях развития, что говорит об уникальности эволюционных изменений у разных популяций пещерных рыб.
  • Анализ объема областей мозга и нейронных цепей выявил конвергенцию в сторону расширения заднего мозга и гипоталамуса, а также изменения в нейромедиаторных системах, включая повышенное количество катехоламиновых и гипокретиновых/орексиновых нейронов у пещерных популяций.

Значение

Исследование предоставляет ресурс для изучения нейронной основы поведенческой эволюции и позволяет впервые с миллиметровым разрешением изучать, как эволюционировали отдельные нейроны и области мозга, управляющие сложным поведением.