Cercetări recente dezvăluie secvența neurală pentru navigarea olfactivă la viermi
Comportamentul animalelor reflectă o interacțiune complexă între creierul acestora și mediul lor senzorial.
Rareori, oamenii de știință au reușit să deslușească modul în care acțiunile emerg din această interacțiune. Un nou studiu publicat în Nature Neuroscience de către cercetători de la Picower Institute for Learning and Memory de la MIT oferă un exemplu, dezvăluind modul în care circuitele neuronale din viermii nematode C. elegans răspund la mirosuri și generează mișcare pe măsură ce urmăresc mirosurile care le plac și se feresc de cele pe care nu le preferă.
În întreaga lume animală, comportamentele remarcabile sunt extrem de diverse. Cu ajutorul instrumentelor moderne de neuroștiință, începem în sfârșit să putem cartografia fundamentele mecanice ale acestora.
La finalul studiului, condus de fostul student absolvent Talya Kramer ca parte a cercetării sale de doctorat, echipa a reușit să arate exact care neuroni din creierul viermilor îndeplinesc funcțiile necesare pentru a simți de unde vin mirosurile, a planifica viraje către sau departe de acestea, a trece înapoi (la fel ca mașinile cu telecomandă din trecut, viermii C. elegans se întorc înapoi), a executa virajele și apoi a reveni la mișcarea înainte. Studiul nu doar că a dezvăluit secvența și rolul fiecărui neuron în aceasta, dar a demonstrat și că viermii sunt mai pricepuți și intenționați în aceste acțiuni decât poate au fost considerați până acum. În cele din urmă, studiul a arătat că totul este coordonat de chimicala neuromodulatoare tiramină.
„Un aspect care ne-a entuziasmat cu adevărat în legătură cu acest studiu este că am putut observa cum arată un arc senzorimotor la scala întregului sistem nervos: toate piesele, de la răspunsurile la semnalul senzorial până la implementarea răspunsului comportamental”, a declarat Flavell.
Pentru a realiza cercetarea, Kramer a plasat viermii în dish-uri cu pete de mirosuri către care ar dori să navigheze sau de la care ar dori să se îndepărteze. Cu ajutorul microscopelor și software-ului personalizat de la laborator, ea și coautorității săi au putut urmări modul în care viermii navigau și toată activitatea electrică a mai mult de 100 de neuroni din creierul lor în timpul acestor comportamente (viermii au doar 302 neuroni în total).
Supravegherea a permis echipei să observe că viermii nu se mișcau pur și simplu aleatoriu până ajungeau unde voiau să fie. În schimb, viermii executau viraje cu un timp avantajos și la unghiuri bine alese. Aceștia păreau să știe ce fac în timp ce navigau pe gradientele mirosurilor.
În interiorul creierelor lor, tiparele de activitate electrică dintre un grup de 10 neuroni (indicați prin lumina verde intermitentă legată de fluxul ionilor de calciu din celule) au dezvăluit secvența activării neuronale care le permitea viermilor să execute aceste mișcări sensibile ghidate de simțuri: înainte, apoi înapoi, apoi virajul, și apoi din nou înainte. Anumiți neuroni au ghidat fiecare dintre acești pași, inclusiv detectarea mirosurilor, planificarea virajului, schimbarea înapoi și apoi executarea virajelor.
Câțiva neuroni s-au evidențiat ca fiind esențiali în secvență. Un neuron numit SAA s-a dovedit a fi pivot pentru integrarea detectării mirosurilor cu planificarea mișcării, deoarece activitatea sa prezicea direcția virajului final. Mai mulți neuroni au fost suficient de flexibili pentru a arăta modele diferite de activitate în funcție de factori precum poziția mirosurilor și dacă viermele se mișca înainte sau înapoi.
Dacă neuronii se întorc și schimbă vitezele, atunci neuromodulatorul tiramină (analogul viermilor pentru norepinefrină) a fost semnalul esențial pentru a schimba vitezele lor. După ce viermii au început să se miște înapoi, tiramina din neuronul RIM a permis altor neuroni din secvență să își schimbe activitatea corespunzător pentru a executa virajele. În mai multe experimente, oamenii de știință au eliminat RIM tiramina și au observat că comportamentele de navigare și secvența activității neuronale s-au destrămat în mare parte.
„Neuromodulatorul tiramină joacă un rol central în organizarea acestor tipare secvențiale de activitate cerebrală”, afirmă Flavell.
