Как плодовые мушки управляют «рулём» мозга

Когда мы идём по улице, у нас есть внутреннее ощущение направления движения, основанное на визуальных сигналах и ориентирах, а также понимание, куда мы хотим попасть. Новое исследование, опубликованное в Nature, описывает нейронный процесс, координирующий эти направления у плодовых мушек.

Учёные из лаборатории Габриэля Меймона в Рокфеллеровском университете показали, как нейроны, сигнализирующие о текущем направлении ориентации мухи («нейроны компаса»), работают вместе с нейронами, указывающими на целевое направление, формируя схему навигации.

Нейроны цели

Используя двухфотонную микроскопию для наблюдения за активностью нейронов у мух в виртуальной среде, исследователи обнаружили популяцию клеток FC2. Когда виртуальное окружение вращалось и активность «нейронов компаса» следовала за этим вращением, активность FC2-нейронов оставалась фиксированной на исходном направлении.

«Представьте, что вы идёте на север по Манхэттену, и кто-то поворачивает вас на восток. Что-то в вашем мозгу продолжает отслеживать, где север, чтобы вы могли вернуться к исходному курсу. У мух это FC2-нейроны», — объясняет Меймон.

С помощью оптогенетики (управления нейронами светом) учёные подтвердили роль FC2-клеток: манипулируя их активностью, они могли предсказуемо менять направление навигации мухи.

Нейронная схема и «мысленная математика»

Используя коннектом мозга мухи (карту связей между нейронами), команда обнаружила клетки PFL3, которые получают сигналы как от «нейронов компаса», так и от FC2-нейронов цели.

Эксперименты подтвердили, что PFL3-нейроны сравнивают внутренние сигналы о текущем и целевом направлении и передают команды моторной системе, указывая телу мухи, в какую сторону повернуть. Они функционируют как «руль» навигационной системы.

Теоретик Ларри Эбботт из Колумбийского университета помог создать математическую модель, описывающую, как сигналы в координатах мира (например, север/юг) преобразуются в моторные команды в системе координат тела (повороты влево/вправо).

Значение и дальнейшие исследования

• Это исследование даёт представление о том, как простой «мысленный» сигнал цели преобразуется в физическое действие.
• Параллельная работа, тесно связанная с этим исследованием, подробно описана в отдельной статье в Nature.
• Дальнейшие исследования лаборатории Меймона будут сосредоточены на том, как мухи формируют и хранят долгосрочные пространственные воспоминания и цели. Описанный в этой работе сигнал цели объясняет поведение мухи только на ближайшие несколько секунд.
• Учёные надеются, что эти открытия ускорят обнаружение похожих нейронных контуров у млекопитающих и, в конечном итоге, у людей.