Эти результаты, опубликованные сегодня в Current Biology, предлагают широкое понимание биологии реакции испуга – повсеместного, но таинственного явления, которое наблюдалось практически у всех животных, изученных на сегодняшний день, от мух до рыб и людей.
«Представьте, что вы сидите в гостиной со своей семьей, и – внезапно – гаснет свет или начинает дрожать земля», – сказал Ричард Манн, доктор философии, главный исследователь Columbia’s Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute и старший автор статьи. "Ваш ответ и реакция вашей семьи будут такими же: вы остановитесь, замерзнете, а затем перейдете в безопасное место. С помощью этого исследования мы показываем мухам, что быстрое высвобождение химического вещества серотонина в их нервной системе вызывает это первоначальное замораживание.
А поскольку серотонин также существует у людей, эти данные проливают свет на то, что может происходить, когда мы тоже испуганы."
В мозге серотонин наиболее тесно связан с регулированием настроения и эмоций. Но предыдущие исследования мух и позвоночных показали, что это также может влиять на скорость передвижения животного.
Первоначальная цель исследователей из Колумбии заключалась в том, чтобы более полно понять, как химическое вещество достигло этой цели.
Команда сначала проанализировала шаги плодовой мушки с помощью FlyWalker, устройства, разработанного доктором. Манн и колумбийский физик Сабольч Марка, доктор философии, отслеживает шаги насекомого на специальном стекле. После наблюдения за движением мух ученые изменили уровень серотонина и другого химического вещества, называемого дофамином, в брюшном нервном канатике мух (VNC), который аналогичен спинному мозгу позвоночных.
Их первоначальные результаты показали, что активация нейронов, которые производят серотонин в VNC, замедляет мух, в то время как подавление этих же нейронов ускоряет скорость. Дополнительные эксперименты показали, что уровни серотонина могут влиять на скорость ходьбы насекомых в самых разных условиях, включая разные температуры, когда мухи голодны или когда они ходят вверх ногами, во всех ситуациях, которые обычно влияют на скорость ходьбы.
«Мы стали свидетелями сильнейшего воздействия серотонина, когда мухи испытали быстрые изменения окружающей среды», – сказала Клэр Ховард, доктор философии, первый автор статьи. "Другими словами, когда они были поражены."
Для дальнейшего исследования группа исследователей разработала два сценария, чтобы вызвать испуганную реакцию мухи.
В первом они выключили свет: полное затемнение для насекомых. Во втором они имитировали землетрясение.
Чтобы добиться этого, ученые стали сотрудничать с Таней Табачник, директором по передовым инструментам Колумбийского института Цукермана. Команда машинистов и инженеров Табачника работает с учеными над разработкой и созданием индивидуальных систем для своих исследований. Для этого исследования они создали миниатюрную арену размером с муху, расположенную на специальных вибрационных двигателях. Регулировка мощности двигателей произвела желаемый эффект землетрясения.
Когда исследователи подвергали мух воздействию сценария отключения света или землетрясения, они также манипулировали способностью мух вырабатывать серотонин.
«Мы обнаружили, что, когда муха пугается в этих сценариях, серотонин действует как аварийный тормоз; его высвобождение необходимо для того, чтобы они замерзли, и эта реакция может быть результатом скованности суставов ног животного с обеих сторон», сказал доктор.
Манн, который также является профессором Хиггинса биохимии и молекулярной биофизики (в области системной биологии) в Колледже врачей и хирургов Вагелоса Колумбии. "Это совместное сокращение может вызвать короткую паузу в ходьбе, после которой насекомое начнет двигаться."
«Мы думаем, что эта пауза важна», – добавил д-р. Ховард: "Это может позволить нервной системе мухи собрать информацию об этом внезапном изменении и решить, как ей отреагировать."
Интересно, что хотя реакция мух в обоих сценариях должна была вызвать немедленную паузу, их последующие скорости ходьбы значительно различались.
«После того, как муха была поражена сценарием затемнения, походка мухи была медленной и неторопливой», – сказал доктор. Говард сказал. "Но землетрясение заставило мухи ходить быстрее после первоначальной паузы."
Хотя эти результаты характерны для плодовых мушек, повсеместное распространение серотонина и реакция испуга дают ключ к разгадке химических и молекулярных процессов, которые происходят, когда более сложные животные, включая людей, пугаются.
В дальнейшем исследователи надеются продолжить изучение роли серотонина в движении, а также других факторов, которые могут иметь значение.
«Наши результаты показывают, что серотонин может взаимодействовать со многими различными типами нервных клеток в нервной системе мух, например с теми, которые управляют движением и обрабатывают сенсорную информацию», – сказал доктор. Манн. "По мере того, как мы и другие продолжаем исследования, мы надеемся разработать подробный молекулярный план передвижения, который может быть широко применен к другим животным, возможно, даже к людям."