Ученые обнаружили крошечную группу клеток мозга, способных подавлять агрессию

Фото из открытых источников

Новые генетические инструменты позволяют активировать по одному нейрону за раз, и один из них подавляет агрессию плодовых мушек как у самцов, так и у самок. Результаты исследования были опубликованы в журнале Current Biology.

Поместите двух самцов плодовых мушек в небольшую камеру, и они начнут нападать друг на друга. Одним из химических веществ, вызывающих такие резкие движения, является октопамин, аналог норадреналина, который отвечает за реакцию «бей или беги» у человека, у насекомых. Но это же химическое вещество обнаруживается и на другой стороне конфликта.

Новое исследование выявило один тип клеток головного мозга, который действует противоположным образом и подавляет эту борьбу. В одних экспериментах октопамин связывали с большей агрессивностью, в других — с меньшей.

До сих пор исследователям не хватало инструментов для активации нейронов, высвобождающих это вещество, по одной группе за раз, поэтому вся популяция рассматривалась как единое целое.

Лесли М. Паласиос Кастильо и Валентина Файнер, работая с Кентой Асахиной из Института Салка и Марком Фраем из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, создали эти инструменты. Работа проводилась исключительно на плодовых мушках.

Октопамин проявляется во многих поведенческих реакциях мух. Он участвует в процессах питания, сна, памяти и в том, как одна муха реагирует на другую. Тирамин, химическое вещество, которое муха превращает в октопамин, сам по себе действует как сигнал, и эти два вещества могут оказывать противоположное воздействие.

Мозг мухи содержит всего около 70 клеток, работающих на больших расстояниях и использующих их, плюс примерно 100 клеток, остающихся в пределах её локализации. Ранние анатомические исследования уже разделили клетки, работающие на больших расстояниях, как минимум на 28 типов. Сортировка никогда не представляла проблемы. Проблема заключалась в том, чтобы найти один, не прикасаясь к остальным 27.

Ни один ген не является маркером какого-либо одного типа клеток, поэтому более старые драйверы включали все гены одновременно.

«Практически ни один ген не является достаточным для определения одного-единственного типа клеток», — говорит Асахина.

Поэтому команда использовала метод, который активирует клетку только там, где перекрываются два генетических маркера. Если достаточно сузить это перекрытие, то можно выделить небольшую группу, иногда всего одну пару клеток.

Большинство комбинаций оказались неудачными. Исследователи перебрали 529 из них и оставили 40, каждая из которых активировала три или менее классов этих нейронов.

Завершённый набор открывает 14 подтипов, недоступных ни одному предыдущему драйверу. Файнер описала это изменение в контексте оркестра.

«Раньше было все равно что пытаться выделить отдельный инструмент в оркестре, — сказала она. — Теперь мы можем слушать по одному инструменту за раз».

Также был обновлен каталог. По сравнению с существующими схемами проводки головного мозга мухи, два типа, которые ранее были указаны отдельно, ASM2 и ASM3, выглядят как один. Появились ещё двое, которых никто не описывал, и команда назвала их ASM4 и ASM5.

Чтобы выяснить, чем занимается каждая группа, исследователи ввели в клетки светочувствительный белок. Затем они держали самцов поодиночке в течение шести дней, что и подготавливает муху к борьбе.

Они подбирали мух парами и подсчитывали количество бросков до, во время и после вспышки красного света. В каждом варианте эксперимента участвовало от 25 до 40 пар.

Включение линий, идущих к ASM4 и ASM5, прекратило атаки, пока горел красный индикатор. После того, как индикатор погас, борьба возобновилась, и контрольные мухи продолжали атаковать на протяжении всего боя.

Одна из этих линий также замедляла движение мух, что было бы скучным объяснением для тихой камеры. Поэтому команда сделала камеру уже. При этом достигший уровня ASM4 более надёжно подавлял бой, не замедляя никого, а ориентированный на уровень ASM5, вообще не смог этого сделать.

Самцы и самки сражаются по-разному. Самец делает выпад, самка бьет головой. Исследователи подсчитали количество ударов головой и получили одинаковый результат.

«Этот нейрон сам по себе важен для обоих случаев», — сказала Файнер. «Таким образом, это более универсальный механизм контроля агрессии».

ASM4 относится к группе таких нейронов, отмеченных геном, называемым nervy, и лаборатория Асахины еще в 2022 году связала контроль агрессии с этой группой нейронов.

Результаты, представленные в новой статье, а также в более ранней, позволяют предположить, что клетки гладкой мускулатуры дыхательных путей могут выделять тирамин, а не октопамин. Если это подтвердится, то молекула, подавляющая агрессию, отличается от той, которая используется остальной частью системы.

Этот набор инструментов был создан не только для агрессии. Отдельная группа этих нейронов посылает ответвления в зрительную систему мухи, и два из них останавливаются в разных слоях. На схемах проводки один провод соединяется с ячейками, которые обнаруживают широкополосный дрейф, используемый мухой для удержания курса. Другой провод соединяется с ячейками, которые определяют один движущийся объект.

Поэтому команда приклеила каждую муху к стальной булавке и подвесила ее в магнитном поле внутри кольца из светодиодов, вращающегося на 360 градусов, так что она могла свободно вращаться. Полоса плавно перемещалась по случайному фону, определяемому только собственным движением.

Включение второй группы заставило мух лучше отслеживать эту полосу и чаще поворачиваться к ней. Включение первой функции привело к тому, что они стали чаще поворачиваться при смещении фона, не улучшая при этом отслеживание каких-либо объектов. Одно химическое вещество достигло двух соседних слоев одной области мозга и выполнило две несвязанные между собой задачи.

Инструменты пока ещё не доработаны. Большинство из 40 драйверов переключают более одного типа ячеек, как внутри этой системы, так и за её пределами, и команде не удалось полностью отделить ASM4 от ASM5. Выводы по ASM4 зависят от того, какие драйверы сработали, а какие нет, а не от одного фактора, который сам по себе влияет на ASM4.

Некоторые известные классы этих нейронов до сих пор недоступны для исследования. Кроме того, они обошли стороной те, клеточные тела которых находятся в нервном канале, проходящем вдоль всего тела мухи.

А для большинства подтипов до сих пор не установлено, выделяют ли они октопамин, тирамин или и то, и другое. Агрессивное поведение плодовых мушек — это лишь одна из составляющих действия октопамина и тирамина.

Перед исследователями встает один и тот же вопрос: как муха ориентируется по запаху, какую брачную песню исполняет самец одним крылом и как несколько клеток формируют социальное поведение. Далее следует принципиальная схема системы: что поступает в эти нейроны и во что они поступают. До тех пор исследователи могут сказать, какие клетки способны остановить борьбу, но не то, что заставляет их это делать.