Устройство для изменения сознания заставляет плодовых мух петь и танцевать

Команда Эндрю Стро в Институте молекулярной патологии (IMP) совместно с Венским технологическим университетом и Медицинским институтом Говарда Хьюза разработала специальное устройство для термогенетического контроля мух. Этот инструмент, названный FlyMAD, позволил учёным направлять свет или тепло на определённые части тела движущихся мух и анализировать клетки их мозга. По сравнению с другими методами, FlyMAD обеспечивает значительно улучшенное временное разрешение. Используя новую технологию, Стро и его коллеги получили новое представление о роли двух типов нейронов в брачном поведении мух.

Результаты исследования опубликованы онлайн в Nature Methods 25 мая.

Плодовая мушка Drosophila melanogaster — идеальная экспериментальная система для анализа функций нейронных цепей. Ранее не было возможности специфически контролировать активность нейронов у движущихся мух. Команда Эндрю Стро преодолела этот барьер.

Быстрое изменение сознания у движущихся мух

Группа Стро изучает механизмы работы нейронных цепей в мозге мухи, уделяя особое внимание контролю сложного поведения, такого как ухаживание. Чтобы лучше понять, как взаимодействуют разные нейронные цепи, они создали FlyMAD (Fly Mind Altering Device). Это аппарат, использующий видеокамеру для отслеживания движения мух в коробке. FlyMAD позволяет одновременно наблюдать за несколькими мухами и направленно облучать определённые части их тела. Комбинируя методы оптогенетики и термогенетики, исследователи смогли специфически изменять нейронные пути в мозге мухи.

Новая технология термогенетики использует генетически модифицированных мух, чувствительных к температуре. При облучении инфракрасным светом и последующем повышении температуры до 30°C эти животные меняют определённые аспекты поведения. При контрольной температуре 24°C этого не происходит. Инфракрасная активация или подавление специфических нейронов и последующее изменение поведения происходят за доли секунды.

Применение видимого света к определённым генетически модифицированным мухам также может вызывать изменения в их мозге. FlyMAD представляет собой абсолютную новинку для исследований мух, так как ранее оптогенетика была ограничена работой с мышами.

Новое понимание брачного поведения мух

Учёные протестировали FlyMAD, анализируя известные реакции генетически модифицированных мух на свет и тепло. После подтверждения работоспособности системы (например, заставляя мух «лунная походка») исследователи использовали метод для решения новых научных задач. В термогенетическом эксперименте они изучили тип нейронов, ранее связанный с брачной песней мух. Благодаря лучшему временному разрешению FlyMAD учёные смогли детальнее охарактеризовать роль двух типов нейронов. Они показали, что активность одного типа нейронов коррелирует с устойчивым состоянием ухаживания, тогда как другой тип клеток важен для действия «пения». В эксперименте это стало очевидно, когда самцы после стимуляции лазерным лучом пытались спариваться с шариком воска, кружили вокруг него и начинали вибрировать крыльями.

FlyMAD позволяет комбинировать оптогенетику и термогенетику

В будущем Стро планирует в одном эксперименте комбинировать активацию мух как светом, так и теплом — это возможно с FlyMAD. Это позволит активировать или подавлять разные генетические элементы у одной мухи. «FlyMAD даёт фантастическую возможность ответить на многие наши вопросы. Мы могли бы, например, проанализировать, как работают отдельные нейроны в каскаде внутри нейронной цепи», — подчёркивает Стро потенциал своей работы. В конечном счёте, новое понимание функций мозга мухи может быть применено и к изучению сети клеток в мозге млекопитающих.