Исследования, проведенные в Вустерском политехническом институте (WPI) и Калифорнийском технологическом институте (Caltech), показали, что где и когда мужской червь будет преследовать партнера, определяется четырьмя сенсорными нейронами, специфичными для мужчин, которые взаимодействуют с петлями синаптической обратной связи для принятия решения: создание сети. Команда сообщает о своих выводах в статье «Контрастные реакции в пределах одного класса нейронов обеспечивают влечение, зависящее от пола, у Caenorhabditis elegans», опубликованном в феврале. 22, 2016, в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
"Имея всего четыре сенсорных нейрона, мужчина может производить сложные вычисления о концентрации определенных феромонов, которые секретируются другими C. elegans, стремящихся привлечь помощника ", – сказал Джаган Сринивасан, доктор философии, доцент кафедры биологии и биотехнологии WPI и автор-корреспондент новой статьи. "Червь, по сути, вычисляет производную кривой концентрации и использует эту информацию, чтобы решить, куда двигаться, чтобы найти подходящего партнера."
Как отметил Пол Штернберг, доктор философии, профессор биологии в Калифорнийском технологическом институте, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза и соавтор-корреспондент статьи, «наши данные предполагают, что мы обнаружили не только первичный датчик этих половых феромонов, но и явно новый механизм. нейронного кодирования для эффективной обработки информации."
Взрослый C. elegans имеет длину около 1 миллиметра и насчитывает около 1000 клеток, около трети из которых предназначены для их нервной системы. Несмотря на свой небольшой размер, червь представляет собой сложный организм, способный делать все, что животные должны делать, чтобы выжить, включая поиск пищи и поиск партнеров, что делает его одной из самых мощных исследовательских моделей в молекулярной биологии.
Большинство C. Черви elegans – самооплодотворяющиеся гермафродиты, несущие как яйцеклетки, так и сперматозоиды.
Мужские черви составляют менее 1 процента населения. По мере того как гермафродиты истощают свои сперматозоиды, они выделяют феромоны, чтобы привлечь мужчин.
Самец червя должен спариваться с гермафродитом, чтобы выполнить свою эволюционную цель по передаче своих генов следующему поколению.
В текущем исследовании исследователи проанализировали электрическую активность четырех сенсорных нейронов, расположенных рядом с головой мужского червя (по два с каждой стороны). В контролируемой среде они высвобождали различные концентрации привлекательных феромонов и отслеживали индивидуальные реакции четырех нейронов.
Основываясь на предыдущих исследованиях в этой области, Шринивасан и его команда предположили, что четыре анатомически идентичных нейрона будут одинаково реагировать на одни и те же сигналы окружающей среды в одно и то же время.
Удивительно, но сенсорные нейроны реагировали по-разному и в течение разной продолжительности, в зависимости от концентрации феромонов и синаптической активности с другими нейронами. В некоторых случаях нейрон будет быстро реагировать на запах феромона, а в других случаях тот же нейрон по существу отключится и перестанет посылать сенсорные сигналы даже в присутствии высокой концентрации феромонов.
«Наши данные предполагают стратегию для феромонов, при которой один и тот же набор из четырех (нейронов) кодирует разные концентрации в возбуждающих и тормозных ответах…,"авторы написали. «Кодирование различных концентраций в пределах одного класса нейронов, по-видимому, является еще одним методом, с помощью которого нематоды с их компактной нервной системой нарушают симметрию, чтобы увеличить способность кодирования», позволяя червю собирать больше информации из окружающей среды, чем если бы нейроны просто отключились и на.
Команда также обнаружила, что уровень синаптической активности, то есть коммуникации между нейронами, был связан с решением червя двигаться к запаху. У здоровых червей этот сенсорный контур привел большинство червей к промежуточной концентрации феромонов, а не к самой высокой. Авторы отметили, что высокая концентрация феромонов может указывать на перенаселенность или другие стрессы в окружающей среде, которые делают ее менее благоприятной для успешного спаривания. И наоборот, небольшая концентрация запаха будет означать, что поблизости находится слишком мало гермафродитов, чтобы оправдать движение в этом направлении.
Когда команда отключила три из четырех сенсорных нейронов или намеренно снизила общий уровень синаптической активности, эти черви с одним функциональным сенсорным нейроном больше не проявляли предпочтения и вместо этого двигались непосредственно к любой концентрации феромона.
«Для целого червя существует оптимальная концентрация феромонов, и она может отличаться от одного червя к другому», – сказал Сринивасан. "Вы можете думать об этом как о личных предпочтениях.
Это не просто следование запаху или сильнейшая концентрация."
По словам Шринивасана, эта недавно обнаруженная цепь, вероятно, включает в себя молекулы, называемые нейротрансмиттерами, которые необходимо дополнительно охарактеризовать. "Это открывает много новых вопросов для изучения, и мы ожидаем, что некоторые из задействованных нейротрансмиттеров могут играть роль в человеческом мозге."