Если вы войдете в темную комнату, вы все равно сможете найти путь к выключателю. Это потому, что ваш мозг отслеживает ориентиры и направление, в котором вы движетесь. У плодовых мушек также есть внутренний компас, который срабатывает, когда гаснет свет, обнаружили ученые исследовательского кампуса Janelia при Медицинском институте Говарда Хьюза. Их результаты показывают, что анализ того, как дрозофилы перемещаются по миру, может помочь исследователям понять, как люди и другие млекопитающие решают эту задачу.
В нашем мозгу несколько типов нейронов помогают нам ориентироваться и ориентироваться. Например, ячейки направления головы записывают нашу ориентацию относительно ориентиров, которые мы видим в нашем окружении. Эти ячейки также регистрируют, как далеко мы движемся и сколько поворачиваем, что позволяет нам держаться в правильном направлении – по крайней мере, некоторое время – даже если ориентиры недоступны. Однако мозг млекопитающих сложен, и исследователи могут исследовать, как работают такие клетки, изучая плодовых мушек, – говорит Вивек Джаяраман, руководитель группы в исследовательском городке Джанелия. Их мозг меньше и содержит меньше нейронов, и у исследователей есть мощные генетические инструменты для мониторинга и возмущения конкретных нейронов и нейронных цепей у этих насекомых. Но ученые не были уверены, что у мух есть эквивалент клеток направления головы.
Чтобы выяснить это, научный сотрудник Вивека Йоханнес Силиг поместил мух на крошечную арену виртуальной реальности. Каждая муха, которая привязана, чтобы она не взлетела, "играет в ролевую игру," говорит Вивек. Он ходит по маленькому вращающемуся мячу, глядя на изогнутый светодиодный экран, который показывает разные визуальные узоры. Муха обычно направляется к вертикальным полосам, и исследователи синхронизировали вращение узоров на экране с вращением шара, создавая иллюзию того, что фон движется, когда муха поворачивается.
Используя двухфотонный лазерный сканирующий микроскоп и генетические инструменты, сделанные Janelia, которые заставляют нейроны ярко светиться при повышении уровня кальция внутри нейронов, исследователи могли отслеживать, активировались ли определенные клетки в мозгу мух во время экспериментов. Ученые увеличили изображение эллипсоидного тела, структуры в форме пончика в центре мозга мухи, где, как они подозревали, могли находиться насекомые, эквивалентные клеткам направления головы.
Исследователи обнаружили, что активность нейронов в теле эллипсоида указывает направление, в котором движется муха. Если на светодиодном экране отображалась визуальная панорама со сложным рисунком из горизонтальных и вертикальных полос, нейроны в теле эллипсоида фиксировались на нем, создавая единое пятно активности в теле эллипсоида, которое отслеживало ориентацию мухи в виртуальной среде. Когда муха смещала визуальную панораму влево или вправо поворотом, положение активного пятна в теле эллипсоида следовало. В статье, опубликованной 13 мая 2015 года в журнале Nature, Силиг и Вивек предполагают, что тело эллипсоида функционирует как компас. "Мы думаем, что у нас есть окно во внутреннюю модель мира мухи," говорит Вивек.
Если клетки в теле эллипсоида действуют как клетки направления головы у людей, они должны оставаться на своем пути даже в темноте. Это то, что обнаружили Силиг и Вивек, когда выключили свет на арене и закрасили глаза мухи черным. Та же часть тела эллипсоида оставалась активной, пока мухи бежали. "Муха сохраняет представление о том, где она находится, даже когда не получает визуальной информации," говорит Вивек. Подобно млекопитающим, насекомые, кажется, оценивают, насколько они повернулись. Но когда мухи перестали вращать мяч, исследователи обнаружили, что клетки могут сохранять память об ориентации насекомого даже без этой информации. Ячейки, по-видимому, позволяли мухе не терять ориентацию, даже если она стояла в темноте более 30 секунд.
Силиг и Вивек предполагают, что эллипсоидные клетки тела мух могут быть похожи на клетки направления головы млекопитающих. Хотя исследователям давно известно, что такие насекомые, как пчелы и муравьи, могут совершать огромные навигационные навыки, теперь "мы видим, как мозг маленького насекомого может делать то, что не сильно отличается от нашего собственного," говорит Вивек. А это означает, что насекомые могут быть более полезными, чем предполагали исследователи, для ответа на вопросы о том, как мозг задает правильный курс. "Суть в том, что я думаю, мы начинаем видеть все больше свидетельств того, что муха может многое рассказать нам о том, как работает наш собственный мозг, даже когда речь идет о более сложных аспектах познания," Вивек говорит.