Чтобы получить полную картину нейронных цепей и их функций, ответственных за врожденное поведение, необходимо выявить нейронные цепи, которые активируются, когда имеет место врожденное поведение. Также требуется метод, который может контролировать поведение насекомых, искусственно манипулируя активностью нейронных цепей.
Нынешняя исследовательская группа в Университете Канадзавы активно занимается исследованиями функций нейронных цепей, уделяя особое внимание генам, экспрессия которых зависит от нейронной активности. Ранее группа определила ген фактора транскрипции рецептор гормона 38 (Hr38) * 1), который экспрессируется зависимым от нейронной активности образом в мозгу насекомых, и обнаружила, что этот ген является полезным маркером нейронной активности.
В настоящем исследовании группа использовала плодовую мушку (Drosophila melanogaster), модельное насекомое, для создания генетически модифицированного штамма, который точно отражает паттерн экспрессии Hr38, создав метод, который может специфически визуализировать активные нейроны, помечая их зеленой флуоресцентной меткой. белок (GFP) * 2). Используя этот метод, они раскрыли полную картину нейронных цепей самца плодовой мухи в головном мозге и брюшном нервном канатике * 3), которые активировались, когда самец мухи взаимодействовал с самкой.
Известно, что ген бесплодия и двойного пола, определяющий пол, определяет пол нейронных систем в головном мозге и брюшном нервном канатике плодовой мушки, и что эти гены ответственны за развитие нервных цепей мужского и женского типов. В настоящем исследовании группа применила свой метод специально к нейронным цепям, которые выражают бесплодие или двойной секс.
Это выявило активные нейронные цепи в нейронных цепях мужского типа во время ухаживания. В результате группа обнаружила, что нейронный кластер aSP2 был активен именно тогда, когда самец мухи взаимодействовал с самкой мухи, в дополнение к нейронным цепям, которые, как уже известно, важны для регулирования поведения при спаривании.
В дополнение к визуализации нейронных цепей, активируемых во время поведения, важно иметь возможность манипулировать активностью нейронных цепей желаемым образом, чтобы выявить функции нейронных цепей. Таким образом, группа создала штамм Drosophila, который может зависимо от активности экспрессировать CsChrismon, активируемый светом канал родопсина * 4) вместо GFP.
Самцу этой мухи позволили испытать спаривание с самкой; на следующий день, после удаления самки, только самец был освещен. Самец мухи, хотя и не имел ни одной самки, демонстрировал изгиб брюшка, типичный для копулятивного поведения. Это указывает на то, что нейронные цепи, которые были активированы во время спаривания в предыдущий день, могут быть повторно активированы светом через день.
Кроме того, группа проанализировала функции нейронного кластера aSP2 на поведение при спаривании. Детальный анализ ухаживания самцов мух, у которых была подавлена нейронная активность aSP2, показал, что самцы мух подходили к самкам обычным образом, но демонстрировали частые прерывания ухаживания; в результате процент успешных спариваний значительно снизился. В ухаживании за плодовой мушкой постоянный динамический подход самцов мух к самкам, которые поначалу могут сопротивляться, важен для принятия самками спаривания. Настоящий результат показывает, что нейронный кластер aSP2 играет важную роль в регуляции мотивации во время ухаживания.
Настоящее исследование впервые установило методы визуализации нейронных цепей в зависимости от активности у насекомых и управления их активностью. Эти методы должны быть применимы для выяснения нейронных цепей и их функций в врожденном поведении насекомых. Понимание нейронной основы врожденного поведения насекомых важно не только для фундаментальной науки, но и может способствовать таким приложениям, как эффективное использование полезных насекомых, таких как пчела и шелкопряд, избавление от вредных насекомых, предотвращение эпидемий таких болезней, как малярия, лихорадка денге, лихорадка Зика и т. д. опосредовано комаром.
Это исследование идентифицировало нейронный кластер aSP2 как важную нервную цепь для мотивации поведения насекомых. Ожидается, что дальнейшие исследования механизма того, как нервная цепь aSP2 контролирует мотивацию, позволят выяснить фундаментальные механизмы регуляции врожденного поведения в мозге насекомых.
Глоссарий
* 1) Гормональный рецептор 38 (Hr38) Один из ядерных орфанных рецепторов насекомых. Настоящая исследовательская группа определила этот ген, который экспрессировался в мозгу насекомых зависимым от нейронной активности в 2013 году и может использоваться в качестве маркерного гена для нейронной активности.
* 2) Зеленый флуоресцентный белок Зеленый флуоресцентный белок (GFP) был первоначально обнаружен у светоизлучающей медузы Aequorea victoria доктором. Осаму ШИМОМУРА, лауреат Нобелевской премии по химии 2008 г. При освещении синим светом он излучает зеленую флуоресценцию. GFP широко используется для визуализации нервных клеток, например.
* 3) Вентральный нервный тяж.
Вентральный нервный шнур – это нервная область насекомого, соответствующая спинному мозгу позвоночных. Он существует в грудной клетке плодовой мушки и состоит из нервных клеток, передающих сенсорную информацию в мозг и команды мозга мышцам.
* 4) Канальный родопсин Канальный родопсин – это управляемый светом ионный канал, первоначально обнаруженный в одноклеточных зеленых водорослях, Chlamydomonas reinhardtii. Канал регулируется для открытия / закрытия светом, поэтому, когда он выражается в нервных клетках, становится возможным регулировать нервную деятельность с помощью света.