От взлета до полета прослеживается схема нервной системы мухи.

В настоящее время ведется работа над электрической схемой двигательных цепей центральной нервной системы, управляющих мышцами плодовых мух. Этот коннектом, как называется схема соединений, уже дает подробную информацию о том, чем нервная координация движений ног отличается от нервной, управляющей крыльями.

Хотя плодовые мухи кажутся простыми существами, исследователи заявили, что их двигательная система содержит «неожиданный уровень сложности».

«Типичный мотонейрон мухи получает тысячи синапсов от сотен пресинаптических премоторных нейронов», — заметили ученые. «Это число соответствует масштабу синаптической интеграции в пирамидных клетках коры головного мозга грызунов».

Некоторые из последних результатов в этой области опубликованы в двух статьях 26 июня в научном журнале Природа. Они озаглавлены «Синапсическая архитектура сетей премоторного контроля ног и крыльев у дрозофилы» и «Коннектомная реконструкция вентрального нервного шнура самки дрозофилы».

Старшими учеными, совместно руководившими исследованием, были Джон К. Тутилл, доцент кафедры физиологии и биофизики Медицинской школы Вашингтонского университета в Сиэтле, и Вей-Чунг Аллен Ли, доцент кафедры неврологии Гарвардской медицинской школы в Бостоне. В исследованиях участвовала многоинституциональная группа ученых.

Это исследование расширяет понимание того, как центральная нервная система животных координирует отдельные мышцы для выполнения различных поведенческих реакций. Например, плодовая мушка использует свои ноги для прыжков, ходьбы, ухода за собой, борьбы и ухаживания. Она также может адаптировать свою походку для перемещения по таким территориям, как домашние растения, стены, влажные поверхности, потолки и даже беговые дорожки для насекомых.

Все подобные движения, от постуральных рефлексов, позволяющих мухе сохранять устойчивое положение, до преодоления препятствий или изменения направления полета, возникают благодаря электрическим сигналам от мотонейронов. Эти сигналы передаются через нитевидные отростки от мотонейрона для стимуляции мышц.

Исследователи отметили, что шестью ногами мухи управляют всего 60–70 мотонейронов. Они отметили, что у кошки около 600 мотонейронов снабжают одну икроножную мышцу. Всего 29 мотонейронов управляют силовыми и рулевыми мышцами крыла плодовой мухи. Для сравнения, грудная мышца колибри снабжается 2000 мотонейронами.

Хотя моторных нейронов у мухи мало, она совершает замечательные полеты и наземные подвиги.

Ученые объяснили, что двигательные единицы состоят из одного мотонейрона и мышечных волокон, которые он может возбуждать. Различные двигательные единицы, активируемые в различных комбинациях и последовательностях, взаимодействуют для достижения множества двигательных моделей.

Учёных, участвовавших в двух исследованиях, интересовала логика подключения премоторных цепей. Они хотели понять, как нервная система мухи координирует двигательные функции для выполнения различных задач.

В одном из исследований использовались автоматизированные инструменты, машинное обучение, аннотация типов клеток и электронная микроскопия для идентификации 14 600 тел нейронов и около 45 миллионов синапсов (переходов передачи сигнала) в вентральном нервном канатике самки плодовой мухи. Брюшной нервный канатик мух аналогичен спинному мозгу позвоночных. Ученые применили глубокое обучение для автоматической реконструкции анатомии нейронов и их связей у самок мух.

Затем исследователи использовали сложные методы для картирования мышц, на которые воздействуют мотонейроны ног и крыльев. Они определили, какие мотонейроны в коннектоме нервных шнуров взрослой самки соединяются с отдельными мышцами передней ноги и крыла. На основе этого они создали атлас цепей, которые координируют движения ног и крыльев мухи во время взлета и запуска двигателей полета.

Чтобы подняться в воздух, средние ноги мухи вытягиваются для прыжка, а передние сгибаются для взлета. Это очень похоже на то, как рулежный авиалайнер убирает колеса после отрыва от земли или болотная цапля, поджимая свои тонкие ноги, чтобы не мешать им, когда она устремляется в небо.

В ходе своей работы ученые также обнаружили, что некоторые мышечные волокна у взрослых мух иннервируются несколькими мотонейронами. Это также происходит на личиночной стадии плодовой мухи и саранчи. Хотя у некоторых млекопитающих уже у новорожденных имеется множественная иннервация нервных волокон, они обычно исчезают к взрослому возрасту.

Множественная иннервация может обеспечить большую гибкость и объяснить, почему конечности насекомого могут работать точно, несмотря на то, что у них так мало мотонейронов.

Ученые также исследовали двигательную систему крыльев мухи, которая состоит примерно из трех частей, сгруппированных по функциям: приведение в движение взмахов крыльев, управление насекомым и регулировка движения крыльев.

Исследование связности премоторных нейронов позволило исследователям сравнить организацию премоторных цепей для двух типов конечностей. Нога и крыло плодовых мушек имеют различную эволюцию и биомеханику.

В более общем смысле, коннектомы позволяют ученым создавать новые теории о том, как функционируют нейронные цепи, и развенчивать некоторые ложные представления. Ученые отметили, что недавние усилия сообщества по разработке коннектома плодовой мухи привели к созданию одной из первых схем соединений на уровне синапсов для любого животного с конечностями. Они надеются, что дополнительные коннектомы позволят исследователям сравнивать нейронные связи у разных людей. Ожидаемая реконструкция центрального нервного канатика самца плодовой мухи может пролить свет на различия между полами.