Основные единицы обонятельной системы в мозге мухи указывают на их функцию и экологическую значимость

Ученые из Института химической экологии Общества Макса Планка в Йене (Германия) количественно оценили и картировали функциональные единицы обонятельного центра в мозге дрозофил, ответственные за восприятие запахов. Они обнаружили, что так называемые обонятельные гломерулы в антеннальной доле (аналоге обонятельной луковицы млекопитающих у насекомых) различаются по своей архитектуре. Морфология и структура этих сферических мозговых единиц содержат информацию об экологической значимости обрабатываемых ими запахов, особенно в отношении поведения мух, управляемого запахами.

Запахи обрабатываются в антеннальной доле, состоящей из сферических структур — обонятельных гломерул. Внутри них разные группы обонятельных нейронов образуют соединения (синапсы), что позволяет обрабатывать различные запахи окружающей среды.

Исследовательская группа впервые показала, что нейронный состав каждого гломерула уникален и высокоспецифичен. «Каждый гломерул уникальным образом обрабатывает разные запахи. Запахи, в свою очередь, по-разному влияют на поведение дрозофил», — объясняет руководитель исследования Зильке Захзе.

Ученые исследовали нейронную архитектуру обонятельных гломерул у Drosophila melanogaster и связали наблюдаемые морфологические различия с соответствующими функциями. Они маркировали разные нейроны в отдельных гломерулах, подсчитывали и анатомически описывали их, используя трансгенные линии дрозофил, экспрессирующие фотоактивируемый зеленый флуоресцентный белок (PA-GFP), и конфокальную микроскопию высокого разрешения.

«Гломерулы, содержащие много обонятельных сенсорных нейронов, были, как правило, больше, чем гломерулы с меньшим их количеством. Это означает, что анатомическая форма гломерула уже дает информацию о том, насколько чувствительно он будет реагировать на определенный запах», — сообщает один из первых авторов работы Файт Грабэ.

Исследователи также обнаружили различия между самцами и самками: гломерулы, обрабатывающие половые феромоны дрозофил, были больше у самцов, способных воспринимать женские аттрактанты с большого расстояния. Кроме того, гломерулы, содержащие высокоспецифичные обонятельные сенсорные нейроны (обрабатывающие только один запах), имели больше проекционных нейронов (передающих сигнал в высшие области обонятельной системы), чем гломерулы, обрабатывающие много разных запахов. Большее количество проекционных нейронов обеспечивает более быструю и надежную передачу информации в высшие отделы мозга для принятия быстрых решений на основе запаха.

Чтобы связать морфологию гломерула с его функцией, команда определила с помощью электрофизиологического анализа важный параметр — «показатель разреженности по времени жизни» (lifetime sparseness). Он указывает, сколько разных запахов может активировать обонятельный рецептор. Рецептор с низкой «разреженностью» активируется широким спектром запахов. Чем выше «разреженность», тем меньше запахов может воспринимать рецептор. Крайний случай — высокоспецифичный рецептор, реагирующий только на один запах.

Привлекательные для дрозофил запахи включают их собственные феромоны, а также запахи, указывающие на источник пищи (например, перезрелые фрукты). Некоторые из этих привлекательных запахов могут стимулировать откладку яиц у самок, указывая на безопасное место для развития личинок. Важными могут быть и отпугивающие запахи — сигналы об опасности, например, о токсичных веществах или паразитах.

«Полное количественное картирование всех обонятельных сенсорных нейронов, связанных в каждом обонятельном гломеруле, помогло нам создать расширенную морфологическую основу для лучшего понимания роли и функции этих единиц в обонятельной системе», — резюмирует соавтор Амели Башвиц.

Эти новые данные не ограничиваются дрозофилой и могут быть применимы к другим животным и даже человеку, что придает им широкое значение.