Чтобы рыба могла плыть вперед, нервные клетки или нейроны в ее мозгу и позвоночнике должны с очень тесной координацией контролировать свистящие движения ее хвоста. Тем не менее, положение хвоста, которое определяет направление плавания наподобие руля направления, также должно регулироваться активностью мозга. Используя инновационный метод оптогенетики, ученые из Института нейробиологии Макса Планка в Мартинсриде определили группу из примерно 15 нервных клеток, которые управляют движениями хвостового плавника. Движения человеческого тела также контролируются нервными путями в той же области мозга, которые, следовательно, могут использовать механизмы обработки, аналогичные таковым у рыб.
В течение долгого времени нейробиологи пытались выяснить, как нейронные сети контролируют поведение как животных, так и человека. В этом контексте существуют разногласия относительно того, является ли организация мозга децентрализованной в отличие от модульной. В децентрализованной организации взаимодействие большого количества нейронов порождает определенный паттерн поведения. В этом случае отдельным нейронам нельзя назначить точную функцию. С другой стороны, если мозг имеет модульную структуру, отдельные области могут обладать определенными компетенциями, каждая из которых вносит определенный вклад в поведение. Эти типы модулей нейронных цепей можно комбинировать разными способами и влиять на широкий спектр различных поведенческих реакций.
Переключатели в мозгу рыбы?
Исследователи из группы Хервига Байера из Института нейробиологии Макса Планка хотят разобраться в организационной структуре мозга с помощью личинок рыбок данио. Сеть, известная как нисходящая ретикулярная формация, расположена в стволе мозга этих животных. Нейроны этой области оптимально подходят для изучения организации головного мозга: клетки находятся в прямом контакте с мотонейронами спинного мозга рыб и, таким образом, могут напрямую влиять на движения хвоста. "Ретикулярная формация похожа на «кабину» для рыбы, и мы спросили себя, есть ли отдельные «переключатели» или «джойстики», которые используются для управления движениями хвоста", так Хервиг Байер резюмирует эту задачу.
В своем поиске этих переключателей исследователи сосредоточили свое внимание на небольшом ядре мозга (nMLF) внутри ретикулярной формации. Но как можно изучить влияние отдельных нейронов nMLF на движения хвоста?? Лишь недавно подобные исследования стали возможны. Используя новый метод оптогенетики, на активность нервных клеток можно влиять с помощью света. Поскольку личинка рыбки данио – включая ее мозг – прозрачна, ученые могут очень точно "включить" небольшие наборы генетически модифицированных клеток, подвергая личинку синему свету. Следовательно, индуцированные таким образом движения хвоста можно отнести к идентифицированным нейронам.
Нейроны и культиваторы
Первая серия тестов показала, что клетки области nMLF, по-видимому, участвуют во множестве движений – от поступательного толчка до вращательного движения. Однако вторая серия экспериментов с использованием оптогенетической стимуляции показала, что клетки контролируют, в частности, отклонение хвоста. Являются ли клетки nMLF, таким образом, частью многофункционального центра или они действительно специализированы для выполнения определенных функций?? Чтобы решить этот вопрос, нейробиологи провели еще одну серию испытаний, в которых они очень специфично удалили небольшие наборы клеток nMLF из цепи. "Этот эксперимент дал нам прорыв", вспоминает Тод Тиле, ведущий автор опубликованного исследования.
Результаты показывают, что, хотя клетки nMLF активны во многих аспектах плавания, подмножество этих нейронов вносит вклад только в одну часть движения: они определяют направление плавания через положение хвоста. Таким образом, эта популяция нейронов в области nMLF больше похожа на специализированный модуль в децентрализованной системе управления плавательным аппаратом. Хервиг Байер объясняет это так: "Мы можем сравнить всю установку с движением моторной лодки". Двигатель лодки, который приводит в движение гребной винт, определяет тягу, а румпель управляет лодкой. Кажется, что задачи в мозгу очень похожи.
Некоторое время назад команда Хервига Байера обнаружила небольшую область в заднем мозге, которая действует как двигатель и толкает рыбу вперед. "С помощью клеток nMLF мы также обнаружили румпель в мозге рыб", говорит Хервиг Байер. В человеческом мозгу движения также контролируются множеством ядер ретикулярной формации. Таким образом, исследование предполагает, что распределение задач в нашем мозгу может быть таким же, как у рыбок данио.