К списку статей

У взрослых плодовых мушек-дрозофил обнаружили группу нейронов, активация которых приводит к возникновению чувства голода. Если искусственным путём заставить эти нейроны посылать сигналы, даже сытые дрозофилы снова принимаются за еду — но только если она находится прямо перед ними, искать пропитание такие мухи не начинают. Во время активации названных клеток дрозофилы предпочитают пищу, богатую энергией. Нейроны найденной группы выделяют в основном серотонин и влияют на работу большинства отделов мозга дрозофил.

Дрозофила (Drosophila melanogaster) — один из самых популярных объектов изучения у биологов. Эта маленькая мушка быстро размножается, ее легко кормить, она не требует много места для содержания. Генетика дрозофилы известна очень хорошо, благо у нее всего 4 пары хромосом. Хорошо изучена и ее нервная система. У дрозофилы около 150 тысяч нейронов, и она может стать вторым после круглого червя Caenorhabditis elegans организмом, для которого будут установлены все связи всех нейронов — то есть будет описан полный коннектом. Работа над коннектомом дрозофилы уже ведется, а пока связи каждого нейрона не выявлены, имеет смысл определить, чем занимаются небольшие группы клеток нервной системы этой мухи.

Зачем изучать мозг насекомого, какое отношение он имеет к человеческому? Безусловно, различий между нервной системой млекопитающего и мухи много. Тем не менее закономерности работы центральной нервной системы у нас во многом одни и те же. У дрозофилы, и у насекомых вообще, есть функциональные аналоги отделов мозга человека. Например, один из таких аналогов в мозге дрозофилы — грибовидные тела. Как и наша кора больших полушарий, грибовидные тела состоят из нескольких слоев клеток и получают информацию от органов чувств; эту информацию они затем обрабатывают и на основе полученных данных выстраивают ассоциации.

Еще один мушиный аналог области мозга млекопитающего нашли авторы новой работы, опубликованной в журнале Current Biology (рис. 2). Обнаруженная у дрозофил группа нейронов функционально сходна с центром голода в гипоталамусе млекопитающих. Заведомо сытые мухи, у которых активировали клетки найденной группы, снова начинали поглощать пищу. Найденные клетки вырабатывают серотонин.

У относительно простых организмов, которые имеют нервную систему, нередко можно выделить нейроны, отвечающие за сложные типы поведения: избегание опасности, поиск полового партнера, поиск пищи и т. д. Такие клетки называют командными нейронами. Они часто бывают крупнее остальных и имеют множество ветвящихся отростков, ряд которых оканчивается в самых отдаленных точках нервной системы. Соответственно, командные нейроны получают сигналы почти отовсюду (и посылают их тоже почти всюду). Они обрабатывают эти сигналы и принимают решение, запускать ли сложную программу поведения — например, заставлять ли моллюска вжимать ногу в раковину, если что-то дотронулось до его нежной мантии.

Но ведь каждый в жизни наблюдал, что улитка от прикосновения может спрятаться в раковину полностью, а может сократить ногу только слегка. Силой поведенческих реакций, а также активностью командных нейронов можно управлять. Этим, как правило, занимаются клетки, выделяющие серотонин (серотонинергические). Найденные у дрозофилы нейроны принадлежат как раз к таким модулирующим клеткам. Они тоже имеют длинные отростки, которые простираются по всему мозгу мушки, и в зависимости от степени их активности муха ест больше или меньше.

Надо сказать, что чувство голода — это только один из аспектов пищевого поведения у дрозофил. Под ним в обсуждамой статье имеется в виду именно поедание пищи. А еще мухи могут пищу искать, выбирать более или менее вкусное, есть или не есть в определенной обстановке (независимо от чувства голода) и т. д. Всё это рассматривается как отдельные процессы, не всегда зависящие друг от друга. Как правило, за эти процессы отвечают разные группы нейронов. Раньше было известно, как у дрозофил регулируется объём съеденного, какие клетки отвечают за различение вкусов, а вот какие клетки заставляют муху есть, точно не знали.

Как ученые поняли, чем найденные клетки занимаются? Как это обычно бывает в физиологии, чтобы определить функцию органа или клетки, их надо сломать и посмотреть, что изменится. Но очевидно, что если навсегда «выключить» нейроны, вызывающие голод, муха умрет. Возможен и второй вариант: систем, обеспечивающих чувство голода, может быть несколько, и мозг дрозофилы через какое-то время адаптируется работать без выключенных клеток. Поэтому для изучения функции какой-либо структуры лучше походит временное нарушение ее работы. В случае обсуждаемой работы использовали и временное нарушение, и временную активацию клеток. Сначала в нейроны внедрили гены термоактивируемых ионных каналов — белковых пор в мембранах клеток, которые пропускают или не пропускают заряженные частицы в зависимости от температуры. В данном случае каналы были катионными: через них проходили положительно заряженные ионы (например, Na+). При этом передача ионов шла только при температуре выше определенного значения — +32°C.

Когда мух переносили из пустых пробирок с температурой +22°C в пробирки с пищей, нагретые до +32°C, вышеупомянутые каналы начинали работать. Катионы входили внутрь нейронов и вызывали их деполяризацию — повышение мембранного потенциала, в результате чего клетку было легче активировать. Активированные нейроны выделяли серотонин, что удалось установить иммуногистохимическими методами, а количество съеденной пищи выявляли, измерив объем брюшка мухи (рис. 3). Выяснилось, что даже те насекомые, которых предварительно покормили перед экспериментом, ели так, как будто были очень голодными.

Помимо чисто визуальной оценки съеденного, ученые понаблюдали за поведением мнимых голодных мух. Оказалось, что сытые мухи с активированными «нейронами голода» способны запомнить новый пищевой условный рефлекс. Суть его была такой же, как в опытах И. П. Павлова с собакой и лампочкой, известным всем по школьному курсу биологии. Мухи должны были научиться различать два запаха. При предъявлении одного запаха насекомым давали сахарный сироп, при предъявлении другого запаха не давали ничего. Обычно сытых животных крайне сложно обучить отличать один запах от другого, поскольку их не интересует награда — сахарный сироп.

После этих серий экспериментов исследователи сделали обратное: нарушили передачу сигналов от «нейронов голода» с помощью другой молекулы, тоже термоактивируемой. Это было сделано прямо во время обучения мух пищевому условному рефлексу, описанному выше. В результате обучение замедлилось, и все мухи, даже голодные, стали съедать меньше, однако полностью есть не прекратили. Это значит, что существуют и другие группы нейронов, чья активность побуждает муху поглощать пищу, но механизмы их работы еще не известны.

Наконец, ученые показали, что дрозофилы с активированными «нейронами голода» предпочитают более энергоёмкую пищу. Мухам на выбор предоставили два раствора с разными стереоизомерами глюкозы. По химическому строению и вкусу эти вещества не отличаются друг от друга, но живые организмы способны получать энергию только от одного из них — D-глюкозы. Именно его раствор предпочитали мухи с активными «нейронами голода». Чем дольше голодало насекомое или чем дольше работали его клетки, отвечающие за чувство голода, тем сильнее было выражено это предпочтение.

Итак, что удалось узнать в ходе описанных экспериментов? Во-первых, в мозге взрослой дрозофилы есть небольшое количество клеток, отвечающих за проявление чувства голода. (Клетки, которые тоже отвечают за пищевое поведение, уже находили у личинок плодовых мушек, но механизмы их работы совершенно другие: они реагируют на инсулин, а не на серотонин). Во-вторых, удалось распознать, какой нейромедиатор отвечает за реакцию поедания пищи: это серотонин. Теперь исследователям будет легче разобраться, как обеспечиваются и регулируются такие сложные формы поведения, как пищевое.

http://elementy.ru/novosti_nauki/432576/Aktivnost_gruppy_serotoninovykh_neyronov_pobuzhdaet_drozofil_pogloshchat_pishchu