Инженер-электрик и компьютерщик Райс Джейкоб Робинсон и ведущий автор и выпускник Школы инженерии Брауна Кришна Бадхивала используют в своих интересах прозрачность животного, чтобы выполнить сложную задачу, манипулируя маленькими, удивительно устойчивыми существами практически всеми возможными способами, чтобы узнать, как они чувствуют прикосновение.
Их всесторонний анализ гидры в журнале с открытым доступом eLife, проведенный в сотрудничестве с биологом Селиной Джулиано и аспирантом Эбби Примак из Калифорнийского университета в Дэвисе, является небольшим шагом к пониманию нейронных сетей у всех живых существ.
Hydra vulgaris, пресноводные книдарии, которые выглядят как миниатюрные полипы медуз, расширяются и сжимаются, когда они перемещаются по окружающей среде, но их также можно побудить сделать это, если их ткнуть.
Лаборатория Райса за последнее десятилетие разработала узкоспециализированное оборудование для этого, временно ограничивая животных в канале микрофлюидного устройства для захвата одновременных изображений и данных, детализирующих их мышечные и нервные реакции.
Там гидру можно физически подтолкнуть с контролируемым количеством силы, чтобы заставить ее сжаться. Для нового исследования исследователи генетически модифицировали гидру, чтобы она экспрессировала зеленый флуоресцентный белок, когда связанные нейроны активированы, а затем удалили наборы этих нейронов – и даже части тела – чтобы увидеть, как сети реагируют на тыкание животных.
Их цель состояла в том, чтобы построить модель того, как внутренние состояния и внешние стимулы формируют поведение организма с высокодинамичной нейронной архитектурой.
«Нам необходимо установить основы того, как работают такие животные, как гидра, с точки зрения их нейробиологии, чтобы затем мы могли начать проводить сравнения с действительно разными животными», – сказал Робинсон, участник инициативы Райс в области нейроинженерии. «Я вижу, что через пять или десять лет появится много действительно интересных вопросов, на которые мы сможем ответить теперь, когда мы установили некоторые из основных."
Нейроны у гидры сконцентрированы в оральной области (рядом с щупальцами) и аборальной области (вокруг «стопы»), но исследователи идентифицировали два различных типа нейронов – «механически реагирующие» и ранее обнаруженные нейроны «взрывного сокращения». – распределены по телу. Это помогло объяснить различные обнаруженные ими схемы возбуждения в зависимости от того, сжимаются ли гидры спонтанно или срабатывают механически.
Исследователи также обнаружили, что и оральная, и аборальная области играют роль в спонтанных сокращениях.
Оральная область, также известная как гипостома, более значима; поскольку он, по-видимому, координирует моторную реакцию, они узнали, что удаление гипостомы полностью снижает реакцию гидры на толчки.
Аборальная область, также известная как стебель, содержит высокую концентрацию мотонейронов, участвующих в сокращении, о чем свидетельствуют кальциевые сети, которые активируются от стопы вверх, когда запускаются либо гипостомой, либо подталкиванием «безголовой» гидры.
Самым интересным было свидетельство того, что когда у гидры была удалена одна или другая сеть, или они были буквально разрезаны пополам, оставшиеся нейроны подбирали слабину, чтобы поддерживать хотя бы рудиментарную функцию и / или восстанавливать потерянные части.
«Когда мы начали изучать гидру, мы хотели как можно больше понять, как она работает, ее общие черты и различия по сравнению с другими животными», – сказал Робинсон. "Одна из вещей, о которой мы не знали, – это особые типы нейронных структур. Гидры, в частности, имеют распределенную нервную сеть, и мы хотели знать, обрабатывают ли отдельные участки животного информацию централизованно, или все нейроны похожи друг на друга."
Оказалось, что оральная и аборальная сети довольно сильно различаются в том, как они управляют разными аспектами гидры. «Но, похоже, есть некоторая избыточность и обработка сенсорной информации, которые мы также наблюдаем у других животных», – сказал он. "Идея избыточности действительно важна для выживания животных, поэтому мы часто видим, что она всплывает, куда бы мы ни посмотрели."
Хотя радиальная нервная система гидры фундаментально отличается от сетей у двусторонних существ, таких как млекопитающие, есть сходства в том, как все такие системы распределяют рабочую нагрузку, когда им необходимо.
«Мне нравится думать об этом так: давайте посмотрим на все безумные вещи, которые может делать нервная система, которые развились с одной и той же отправной точки», – сказал Робинсон. "Это может позволить нам определить фундаментальные принципы, которые труднее найти у грызунов и людей, поскольку они могут быть скрыты другими вещами, которые мы разработали с течением времени."
Робинсон сказал, что нейробиологи, которые выходят за рамки традиционных небольших модельных организмов – грызунов, червей, рыбок данио и плодовых мух – будут больше всего заинтересованы в результатах исследований гидры. «Есть признание того, что нам действительно нужно разнообразить наш выбор животных, которых мы изучаем», – сказал он.
Есть также последствия для научных инициатив, выходящих за рамки животного царства. «То, что этот конкретный тип нервной системы может полностью восстановиться, заставляет меня думать, что есть принципы, которые связаны с тем, что делает сеть стабильной», – сказал Робинсон. "Они могут быть применены для стабилизации электросетей или Интернета, вдохновленные природой."
Робинсон – доцент кафедры электротехники, вычислительной техники и биоинженерии в Райс. Джулиано – доцент кафедры молекулярной и клеточной биологии Калифорнийского университета в Дэвисе.
Национальный научный фонд (1829158, 1250104), Национальные институты здравоохранения (R21AG067034) и Центр Кека Консорциума побережья Мексиканского залива поддержали исследование.
Видео: https: // www.YouTube.com / watch?v = _H2IE2Ic4ug