Теоретические биологи открыли новый механизм управления полётом у плодовых мух

Исследователи из Института теоретической биологии Университета имени Гумбольдта решили давнюю математическую загадку о возникновении паттернов электрической активности во время полёта насекомых. Вместе с коллегами из Университета имени Иоганна Гутенберга в Майнце они сообщают о новой функции электрических синапсов в управлении полётом плодовых мух в текущем выпуске журнала Nature.

Чтобы удерживать свои маленькие тела в воздухе, плодовые мушки должны махать крыльями чрезвычайно быстро. Они используют трюк, широко распространённый в животном мире: их нервные клетки не успевают за взмахами крыльев. Для управления летательными мышцами каждая нервная клетка генерирует электрический импульс — потенциал действия — только примерно на каждый двадцатый взмах крыла. Однако этот потенциал действия точно настроен на взаимодействие с другими нервными клетками. В небольшой цепи, состоящей из нескольких нервных клеток, генерируются особые паттерны активности: каждая клетка регулярно испускает импульсы, но не одновременно с другими клетками, а асинхронно, с фиксированными интервалами друг относительно друга.

У плодовой мушки такие паттерны активности известны с 1970-х годов. До сих пор их возникновение объяснялось связью нервных клеток через химические синапсы. Предполагалось, что ингибирующие сигнальные вещества высвобождаются между нервными клетками в ответ на потенциалы действия, взаимно предотвращая одновременную генерацию импульсов.

Однако с помощью математического анализа команде профессора Сюзанны Шрайбер удалось показать, что такая распределённая по импульсам активность может возникать и тогда, когда нервные клетки связаны не химически, а электрически — то есть без использования сигнальных веществ. В этом случае клетки должны использовать особый вид потенциала действия, который сопровождается высокой чувствительностью к входам от других клеток, особенно когда клетка только что была активна. Этот тип чувствительности не характерен для «нормальных» потенциалов действия, и поэтому в последнем случае распределённой активности при чисто электрической связи клеток ожидать не следует.

Экспериментальные доказательства типа генерации импульсов, предсказанного берлинскими исследователями, предоставила группа профессора Карстена Духа в Майнце. Учёные усиливали или ослабляли определённые ионные токи в клетках плодовой мушки, чтобы изменить тип генерируемых потенциалов действия. Они смогли показать, что эти манипуляции влияли на паттерны активности в летательной цепи именно так, как предсказывала математическая модель. Кроме того, они доказали, что связи между клетками действительно являются электрическими, и что подавление этой связи оказывает ожидаемое влияние на паттерны активности и взмахи крыльев у животных.

Открытие команд из Берлина и Майнца особенно удивительно, поскольку до сих пор считалось, что электрическая связь способствует одновременной активности нервных клеток. Паттерны активности, возникающие из электрических синапсов, раскрывают новые принципы обработки информации в нервных системах. Тот же механизм может использоваться не только у тысяч других видов насекомых, но и в человеческом мозге, где функция электрической связи всё ещё далека от понимания.