Человеческий мозг — это мощнейшая вычислительная система: в нее входит 100 миллиардов нейронов, которые образуют 100 триллионов соединений. Вся эта схема настолько сложная, что даже такие простые вещи, как реакция на страх или движение конечностей, по-прежнему загадка для нейробиологов. Но на многие вопросы о поведении и реакциях можно ответить (или хотя бы нащупать верный путь) с помощью простых организмов: крошечных медуз.
Исследователи из Калифорнийского технологического института разработали своего рода набор генетических инструментов, предназначенный для работы с Clytia hemisphaerica, типом медузы диаметром около сантиметра, который встречается в Средиземном море и северо-восточной части Атлантического океана.
Используя этот набор инструментов, крошечных медуз генетически модифицировали, так что их нейроны индивидуально светились флуоресцентным светом при активации. Поскольку медуза прозрачна, исследователи могли наблюдать за свечением нервной активности животного. Другими словами, команда могла «читать» мысли медузы, когда она кормилась, плавала или уклонялась от хищников. Это помогло понять, как относительно примитивный мозг животного координирует его поведение. У медузы головного мозга как такового нет, его роль выполняет нервное кольцо с нервными узлами на краю зонтика.
Как отмечают исследователи, черви, мухи, рыбы и мыши, часто используемые в лабораторных экспериментах, генетически более тесно связаны друг с другом, чем с медузами. Кроме того, они эволюционно ближе к человеку, чем к медузам.
«Медузы – важная точка для сравнения, потому что они очень отдаленно связаны с нами. Поэтому мы можем задавать вопросы: существуют ли принципы нейробиологии, общие для всех нервных систем? Или как могла бы выглядеть первая нервная система? Изучая природу в более широком смысле, мы можем также обнаружить полезные биологические инновации», – Брэди Вайсбурд, ведущий автор исследования.
По словам Вайсбурда, прозрачность многих медуз делает их отличными витринами для системной нейробиологии. Это связано с тем, что сегодня существуют удивительные новые инструменты для визуализации и управления нейронной активностью с помощью света. Таким образом, ученые могут поместить целую живую медузу под микроскоп и получить доступ ко всей ее нервной системе.
Если наш мозг централизован в одной части тела, мозг медузы рассредоточен по всему телу животного. Различные части тела медузы могут работать, казалось бы, автономно, без централизованного управления. Например, хирургически удаленный рот медузы может продолжать «есть» даже без остальной части тела животного.
Такой децентрализованный план тела кажется очень успешной эволюционной стратегией, поскольку медузы существовали во всем животном мире на протяжении сотен миллионов лет. Но как такая нервная система медузы координирует ее движения и управляет ее поведением?
После разработки генетических инструментов для работы с C. hemisphaerica исследователи сначала изучили нейронные цепи, которые лежат в основе пищевого поведения животного. Когда клития хватает креветку щупальцем, она складывает свое тело, чтобы поднести щупальце ко рту, и одновременно наклоняет рот к щупальцу. Команда задалась вопросом: как неструктурированный мозг медузы координирует это сложное движения складывания тела?
Изучая светящиеся цепные реакции в нейронах медузы во время питания, команда определила, что подсеть нейронов, которая производит определенный нейропептид (молекулу, продуцируемую нейронами), отвечает за внутреннее складывание тела. И хотя нейронная сеть медуз изначально казалась рассредоточенной и неструктурированной, исследователи увидели удивительную степень организации, которая стала видимой только с их флуоресцентной системой.
«Наши эксперименты показали, что кажущаяся диффузной сеть нейронов, которая лежит в основе круглого зонтика медузы, на самом деле подразделяется на участки активных нейронов, организованных в клинья, как кусочки пиццы. Когда медуза хватает щупальцем креветку, сначала активируются нейроны в ближайшем к щупальцу "кусочке пиццы", что, в свою очередь, заставляет эту часть зонтика складываться внутрь, в результате чего креветка оказывается во рту. Этот уровень нейронной организации совершенно незаметен, если вы посмотрите на анатомию медузы даже в микроскоп. Чтобы увидеть ее, вы должны иметь возможность визуализировать активные нейроны, и это то, что мы можем делать с нашей новой системой», – Дэвид Андерсон, соавтор исследования.
По словам исследователей, в будущем они хотели бы использовать эту медузу в качестве управляемой платформы, чтобы точно понять, как поведение создается целыми нейронными системами. Конечная цель – не только понимание нервной системы медуз, но и использование этого знания в качестве трамплина для понимания более сложных систем в будущем.
