Неожиданно оказалось, что они обнаружили значительную степень вариаций в структуре некоторых нейронных цепей или проводящих путей у отдельных червей, которые дополняли основной набор нейронных цепей, общих для разных животных.
Ученые говорят, что мозг червей может иметь гораздо больше общего с более крупными животными, чем считалось ранее.
Карта мозга, созданная нейробиологами из Университета Лидса в сотрудничестве с исследователями из нью-йоркского медицинского колледжа Альберта Эйнштейна, показывает, что разные пространственные области поддерживают разные специализированные схемы для маршрутизации информации в мозгу, где информация интегрируется, прежде чем действовать.
Исследование опубликовано сегодня (24 февраля) в научном журнале Nature.
C. elegans – нематоды, которые питаются бактериями, обнаруженными в гниющей растительности в вашем саду.
Они всего около миллиметра в длину и тонкие, как человеческий волос.
В нервной системе взрослого червя ровно 302 клетки – для сравнения, человеческий мозг насчитывает около 100 миллиардов клеток.
Но почти две трети нервных клеток червя образуют кольцо в области головы, где они образуют тысячи связей друг с другом.
Этот «мозг» является центром управления животным, где происходит большая часть восприятия и принятия решений.
Несмотря на то, что мозг очень компактен, животное демонстрирует ряд сложных поведений, и нейробиологи десятилетиями интересовались изучением его мозга. Предыдущие исследования создали «электрические схемы» для соединений между нервными клетками.
Это последнее исследование, тем не менее, является первым, в котором представлены полные пространственные координаты этих принципиальных схем.
Профессор Нетта Коэн, компьютерный нейробиолог из Университета Лидса, которая руководила исследованием, сказала: «Мозгу необходимо организовать поток информации, чтобы контролировать поведение животного. Но как связаны структура и функции мозга – открытый вопрос.
Обеспечение пространственного представления схем позволило нам раскрыть модульную структуру мозга этого животного."
Создание карты мозга
Исследователи использовали унаследованную коллекцию изображений мозга взрослого и молодого нематодного червя, полученных с помощью электронного микроскопа.
Эти изображения выявили отдельные клетки мозга или нейроны, что позволило исследователям составить карту организации нейронных цепей червей, от уровня отдельных клеток до крупномасштабной архитектуры всего мозга.
Структура-функция мозга
Ученые определили известные нейронные цепи и пути в мозгу, такие как навигационная нейронная цепь, которую животное будет использовать для отслеживания запахов и вкусов в поисках пищи.
Считается, что еще один контур способствует механическому ощущению, поэтому он будет ощущать свой путь, когда он извивается через почву, или ощущать, окружен ли он бактериями.
Их теория состоит в том, что информация обрабатывается в мозгу червя через ряд «слоев». Фактически, подобная многоуровневая архитектура обнаружена в человеческом мозгу. Информационный поток начинается в сенсорных клетках, которые реагируют на окружающую среду.
Например, клетки могут ощущать бактерии, но являются ли они подходящими бактериями для питания – пахнут ли они «правильными» бактериями?? Ответ требует, чтобы информация была интегрирована из нескольких органов чувств, прежде чем она будет отправлена в командную область мозга для действий.
Профессор Коэн сказал: «Карта мозга показывает очень элегантную структуру, поддерживающую поток информации через мозг червя, и она более сложна, чем традиционная точка зрения, согласно которой простые животные следуют по пути стимул-реакция.
"Карта предполагает конвергенцию различных нейронных цепей – и это позволяет червю интегрировать все различные сигналы, которые он получает через свои сенсорные клетки, и координировать реакцию."
Изменения в структуре мозга
Во время своего исследования исследователи были удивлены, обнаружив степень индивидуальных различий в мозге червей.
C elegans – одно из самых изученных животных в биологии. Во время жизни червя, то, как его клетки делятся и растут, следует строгой схеме, которая наблюдается у всех видов.
Но когда дело доходит до клеток мозга, кажется, что существует высокая степень вариации в том, как клетки мозга формируют контакты с соседними клетками для создания нейронных цепей.
Используя математические и компьютерные модели, ученые смогли различить те связи, которые, вероятно, образуют “ основной ” контур в большой популяции животных, и те, которые, по-видимому, различаются между отдельными людьми.
Доктор. Кристофер Бриттин, бывший аспирант Университета Лидса и первый автор статьи, сказал: «Эта работа поднимает интересные вопросы о том, как даже, казалось бы, простые нервные системы способны приспособиться как к основной, так и к индивидуализированной схеме мозга."
Ученые обнаружили, что только примерно половина проводов в мозгу червей похожа – другая половина показала вариации.
Профессор Коэн добавил: «Это открытие было действительно волнующим для нас.
Во-первых, это говорит о том, что мозг червя имеет гораздо больше общего с мозгом высших животных, чем мы знали или ожидали, и уроки, извлеченные о червях, могут помочь нам узнать о мозге в более общем плане."
Различная взаимосвязь может поддерживать индивидуальность, избыточность и адаптивность мозга, когда животные сталкиваются со сложной, опасной и постоянно меняющейся средой.