Ученые демонстрируют, как у круглых червей возникают индивидуальные различия в активности «всего мозга»

Совместное исследование, проведенное Ю Тоёшимой и Юичи Иино из Токийского университета, продемонстрировало индивидуальные различия и успешно выявило общие черты в деятельности всего мозга круглых червей. Исследователи также обнаружили, что компьютерное моделирование, основанное на активности всего мозга круглых червей, более точно отражает реальную деятельность мозга, когда оно включает так называемый «шум» или вероятностные элементы. Результаты были опубликованы в журнале PLOS Вычислительная биология.

Круглый червь Caenorhabditis elegans является фаворитом нейробиологов, поскольку его 302 нейрона полностью картированы. Это дает фантастическую возможность раскрыть их нейронный механизм на системном уровне. На данный момент ученые добились прогресса в раскрытии различных состояний и закономерностей каждого нейрона и образованных ими ансамблей. Однако то, как генерируются эти состояния и закономерности, остается менее изученной областью.

Сначала группа ученых измерила нейронную активность каждой клетки, составляющей примитивный мозг, в области головы круглых червей. Для этого червей поместили в микрофлюидный чип — крошечное устройство, предназначенное для того, чтобы черви могли «покачиваться» вперед и назад, сохраняя при этом их в поле зрения объектива. Затем с помощью конфокального микроскопа ученые засняли, как нейроны реагировали на изменения концентрации соли.

«Хотя нам удалось выделить нейронные «мотивы», общие для людей», — говорит Иино, — «мы были удивлены, обнаружив большие индивидуальные различия в нейронной активности. Информация от сенсорных нейронов передается к «командным» нейронам несколькими путями для управления поведением.

«Поскольку считается, что нейронные цепи C. elegans относительно хорошо консервативны у разных особей, мы предположили, что эти пути будут мало различаться у разных особей. Но, что примечательно, мы обнаружили обратное».

Данные, полученные из этих «фильмов» мозга круглых червей, были затем использованы для создания компьютерной симуляции мозга круглых червей. Однако первые симуляции, которые содержали только детерминированные элементы, привели к затуханию «нейронной» активности. Добавив к моделям «шум», команда добилась точного представления активности всего мозга круглых червей.

Ученые не только смогли оценить силу связи между нейронами, но и продемонстрировали, что «шум» необходим для активности мозга. Эта математическая модель потенциально может быть применена для анализа активности нейронов в тех случаях, когда полные данные о коннектоме еще недоступны.

При таких возможностях количество интересных новых вопросов кажется бесконечным. Но учёный должен сделать выбор.

«Изначально мы разработали это исследование для изучения нейронных механизмов, задействованных при привлечении круглых червей к соли», — объясняет Иино.

«Однако, чтобы измерить активность всего мозга, нам нужно было держать круглых червей в узком канале, чтобы они не уходили. Мы хотели бы улучшить микроскоп, чтобы мы могли отслеживать свободно движущихся круглых червей и анализировать активность всего мозга, одновременно их привлекает соль».