Рыбы и люди обладают удивительно древней структурой мозга

Фото из открытых источников

Рыбы, птицы и млекопитающие отделились от общих предков сотни миллионов лет назад. Их мозг развивался по разным эволюционным путям. Тем не менее, исследователи давно заметили, что эти мозги, похоже, решают одну и ту же задачу удивительно похожими способами.

«Видно, что это практически непрерывный процесс», — объясняет профессор Эмре Якси из Института системной нейронауки Кавли в Тронхейме.

В новом исследовании, ведущим автором которого является Ань-Туан Тринь, ставилась задача выяснить, отражает ли эта закономерность более глубокое организационное правило, общее для всех позвоночных. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.

В мозге каждого позвоночного человека информация от разных органов чувств сначала передается по отдельным путям, прежде чем объединиться в единую картину. 

У млекопитающих таламус действует как важная релейная станция, направляя зрительную, слуховую и другую сенсорную информацию в различные части мозга, прежде чем высшие отделы мозга объединят все это в восприятие и мышление.

Для изучения этого процесса команда обратилась к молодым данио-рерио длиной менее сантиметра. Рыбок аккуратно помещали в прозрачный гель под микроскопом, а через их рты пропускали свежую воду, чтобы они могли комфортно дышать.

После того как рыбы привыкли к условиям эксперимента, исследователи начали регистрировать активность по всему переднему мозгу. Для проведения эксперимента требовалось использовать сложный набор оборудования.

«Вы активируете целую кучу переключателей, — говорит Тринь. — Это напоминает мне кабину самолета или космического корабля. Повсюду так много кнопок. Многолетняя практика облегчила этот процесс. Это как игра на пианино. Сначала очень сложно. Но со временем становишься лучше».

Результат превзошел все ожидания. Вместо наблюдения за небольшой частью мозга исследователи смогли в режиме реального времени отслеживать активность во всем переднем мозге.

Сам эксперимент был довольно простым. Исследователи подвергали рыб воздействию вспышек красного света, легких вибраций в окружающей воде или и того, и другого одновременно. Затем они отслеживали, куда распространялся каждый сигнал внутри мозга.

Результаты показали, что у рыбок данио-рерио для получения поступающей сенсорной информации используется иная структура мозга, чем у млекопитающих. Вместо таламуса рыба полагается на область, называемую прегломерулярным комплексом, или ПГ.

Хотя структуры различаются, они выполняют практически одну и ту же задачу. PG посылает визуальные и вибрационные сигналы в разные области переднего мозга, удерживая их раздельно до тех пор, пока на более поздних этапах информация не начнет объединяться.

Это открытие позволяет предположить, что в процессе эволюции могли возникнуть различные структуры мозга, выполняющие практически идентичные функции. Даже при различиях в отдельных частях, общая структура остается поразительно похожей.

При более глубоком изучении переднего мозга рыбы исследователи обнаружили нечто еще более интересное. Некоторые нейроны реагировали только на свет. Другие реагировали только на вибрацию. Однако, проникнув глубже в мозг, они обнаружили нейроны, которые реагировали только тогда, когда оба сигнала поступали одновременно.

При воздействии только одного из этих стимулов клетки оставались неактивными. Когда одновременно появлялись свет и вибрация, нейроны активировались гораздо сильнее, чем ожидалось.

Ученые полагают, что эти нейроны могут помочь мозгу распознавать, что разные сенсорные сигналы относятся к одному и тому же событию. В повседневной жизни люди постоянно объединяют информацию, получаемую от разных органов чувств, чтобы понять, что происходит вокруг. Мозг связывает вспышку молнии со звуком грома, даже если они достигают нас в несколько разное время.

Ученые обнаружили эти необычные нейроны, анализируя данные после эксперимента. После многократной проверки результатов закономерность сохранилась. Исследователи также обнаружили четкую иерархию в переднем мозге. Более простые нейроны, обрабатывающие отдельные сенсорные сигналы, располагались ближе к задней части мозга, в то время как нейроны, объединяющие информацию, становились более распространенными ближе к передней части.

Учёные до сих пор точно не знают, как именно эти нейроны высшего уровня влияют на поведение, но они могут помогать животным распознавать взаимосвязи между событиями, что способствует обучению и принятию решений.

Полученные результаты указывают на важную идею в нейробиологии. Передний мозг не несет основной ответственности за такие базовые задачи выживания, как движение или еда. Вместо этого, это помогает животным реагировать, когда мир становится непредсказуемым и им необходимо адаптироваться к чему-то новому.

Якси приводит пример из кулинарии, чтобы объяснить эту идею. «Вы хотите загустить суп. Вы можете добавить картофель и положиться на крахмал, или вы можете добавить муку, и это тоже сработает. Решения похожи, но вам не обязательно использовать один и тот же ингредиент, если он выполняет схожие функции».

В настоящее время исследователи сравнивают мозг рыбки данио с мозгом млекопитающих на молекулярном уровне, чтобы определить, были ли эти схожие нейронные цепи сформированы из родственных типов клеток или эволюционировали независимо.

«Я не утверждаю, что у рыбы есть аналог коры головного мозга млекопитающих, — говорит Якси. — Но у рыбы есть нечто подобное. Это паллиум. И он произошел от тех же предков-позвоночных, от которых произошла кора головного мозга человека».

О строения переднего мозга рыб многое остается неизвестным, но исследователи полагают, что им удалось определить, где именно сенсорная информация впервые поступает в эту важную нейронную сеть.

«Мы только сейчас узнали, с чего начинается мир. Именно с этого всё и начинается», - объясняют авторы исследования.

Данная работа предполагает, что в процессе эволюции неоднократно достигается одно и то же решение для построения мозга, способного понимать мир.

Рыбы и люди, возможно, используют разные структуры мозга, но, по-видимому, следуют одному и тому же основному правилу: сначала разделять сенсорную информацию, затем постепенно объединять её и строить полную картину из множества отдельных фрагментов.

Эта общая стратегия, возможно, является одним из древнейших принципов организации головного мозга позвоночных.