Ненаслідовані особливості будови мозку визначили поведінку дрозофіл

Індивідуальність у поведінці мух не залежить від генетичних особливостей. Відмінності обумовлені міжполушарною асиметрією проекцій нейронів, зв'язки яких розподіляються випадковим чином у процесі дозрівання клітин. Стаття опублікована в журналі.

Немає двох однакових організмів, навіть якщо вони генетично ідентичні, адже на розвиток завжди впливає безліч стохастичних факторів. Природно, індивідуальна мінливість стосується і мозку, розрізняється його вага, розмір, анатомічні особливості і навіть морфологія окремих нейронів. Індивідуально і вроджена поведінка, проте не ясно, що саме лежить в основі цієї мінливості: здатність нейронних мереж функціонувати пластично або ж випадкові відмінності в їх анатомії, які виникають у процесі розвитку організму.

Вивчати особливості мозку окремої особини на клітинному рівні зручно на безхребетних, адже у них легко спостерігати за окремими нейронами. Один з популярних модельний об'єктів у біологів - мухи - підходить і для дослідження кореляцій особливостей анатомії нервової системи з поведінкою. Мозок цих комах містить всього 100 тисяч нейронів і добре вивчений.

В області мозку дрозофіл, яка відповідає за обробку зорової інформації, є скупчення нервових клітин (дорсальний кластер), проекції яких значно варіабельні між особинами і навіть між двома півкулями однієї і тієї ж мухи. Аксони цих нейронів йдуть в один з двох відділів зорової системи: медуллу або лобулу. Те, куди саме направить свою проекцію кожен окремо взятий нейрон, обумовлено випадковими подіями в процесі його розвитку.

Група вчених з Бельгії, Німеччини та Франції під керівництвом Геріта Лінневебера (Gerit Linneweber) з Університету Сорбонна досліджувала зв'язок між індивідуальними особливостями зв'язків у мозку дрозофіл і поведінкою. Для цього використовували парадигму Бурідана, яка дозволяє визначити реакцію комах на зорові стимули. Мух поміщали на біле рівномірно освітлене поле; на стінках арени навпроти один одного були розташовані дві вертикальні чорні смуги. Комахи не могли дійти до цих смуг, і переміщалися між ними. В таких умовах мухи зазвичай ходять вперед і назад від одного контрастного об'єкта до іншого, але деякі дрозофіли обстежують всю арену рівномірно. Таким чином, поведінка комах у цій парадигмі дуже індивідуальна. Для того, щоб оцінити це кількісно, автори роботи використовували середнє відхилення траєкторії мух від прямої лінії між двома смужками.

Щоб перевірити, чи залежить поведінка дрозофіл у цій парадигмі від спадковості, вчені порівняли особин з 10 різних ліній, всередині яких геном мух практично не відрізняється. Потім дослідники схрестили пару дрозофіл, які переміщалися по найширшій траєкторії, і комах, відхилення яких від центральної лінії було мінімально, і порівняли реакції їх нащадків. Вчені також перевірили, чи змінюється поведінка дрозофіл з часом, для чого їх тестували щодня протягом чотирьох тижнів.

Індивідуальні особливості поведінки мух не залежали від генетичної лінії і не успадковувалися, зате були стійкі протягом місяця спостережень.

У 103 мух досліджували нейрони дорсального кластера і визначили, куди йдуть аксони кожного з них. Всього в цій області нарахували від 22 до 68 нейронів, і 11-55 з них направляли свої аксони в лобулу, а 6-23 - в медуллу. Крім того, існує міжполушарна асиметрія проекцій цих клітин у кожної з комах.

Коли дорсальний кластер інактивували, відхилення траєкторії дрозофіл від лінії, яка з'єднувала вертикальні смуги, збільшувалося. Якщо ця область мозку працювала нормально, вчені спостерігали кореляцію між поведінкою комах і міжполушарною асиметрією: особини, у яких число нейронів, аксони яких йдуть в медуллу, було близьким для двох половин мозку, переміщалися по всьому полю. А дрозофіли з асиметричними проекціями відхилялися від центральної лінії значно менше. При інгібуванні дорсального кластера поведінка комах не залежала від ступеня міжполушарної асиметрії.

Функціональні зв'язки нейронів лежать в основі роботи мозку, тому їх вивчення необхідне для розуміння зв'язку морфології з поведінкою. У 2016 році вчені з Японії змоделювали повний коннектом (карту зв'язків) дрозофіли, а роком пізніше машинне навчання допомогло створити функціональний атлас мозку цих комах.