Chování much analyzované neurony | Věda a život

Pro mozek Drosophila byla vytvořena kompletní mapa chování.

Drosophila mozek. (Foto: balapagos / Flickr.com.)

Oblasti mozku Drosophila spojené s agresivním chováním u žen. (Ilustrace: Robie et al. / Cell 2017.)

Aktivace různých oblastí mozku Drosophila během různých typů chování. (Ilustrace: Robie et al. / Cell 2017.)

Víme, že činnost určitých oblastí mozku odpovídá určitému chování. Dokonce víme, které oblasti mozku se v určitých situacích aktivují. Oblasti mozku jsou ale tvořeny obrovským množstvím neuronů propojených do nervových okruhů, které spolu komunikují. Je zřejmé, že charakteristiky chování závisí na provozních charakteristikách takových obvodů.

Nicméně, pokud jde o jednotlivé neurony, věci se komplikují: v lidském mozku jsou biliony nervových buněk a my jednoduše nemáme nástroje, jak sledovat aktivitu každého z nich v různých kontextech chování.

Navíc donedávna se takový problém nedal vyřešit ani u zvířat s mnohem menším mozkem. Například Drosophila má relativně málo neuronů, pouhých 250 000 (i když zde slovo „jen“ jasně vyžaduje uvozovky) a mezitím neurobiologové poměrně dlouho nedokázali přesně a úplně určit, které nervové řetězce jsou zodpovědné i za jednoduché reakce, kdy moucha prostě chodí nebo letí.

Konvenční neurobiologické metody mohou sledovat pouze malý počet neuronů najednou, ale aby bylo možné získat nervový portrét chování, je zapotřebí metoda, která by umožnila popsat mozek jako celek. Ale věda, jak víme, nestojí na místě a nyní se vědcům z Howard Hughes Medical Institute podařilo pomocí poměrně chytrého přístupu sestavit kompletní mapu chování mozku Drosophila.

Pro experiment vybrali mouchy s genetickou modifikací: některé neurony (od stovek buněk po několik stovek) byly zásobeny proteinem, který umožňoval iontům procházet membránou a který také reagoval na zvýšení teploty. Pokud teplota kolem much vystoupila nad 25°C, došlo ke spuštění iontového kanálu, ke změně koncentrace iontů na obou stranách neuronální membrány a ke vzniku elektrochemického impulsu – v důsledku toho moucha někam odletěla, začala se čistit, případně začala hledat partnera.

Ale jak jsme řekli, v různých mouchách bylo možné zapnout pouze určitou skupinu neuronů. Abychom získali úplnou mapu chování mozku, bylo nutné použít mnoho ovocných mušek. Experiment tedy probíhal takto: dvacet much, každá se stejnými upravenými skupinami neuronů, bylo umístěno do speciální nádoby a zahřáto a poté se vše, co mouchy dělaly, patnáct minut natáčelo. Mouchy byly následně vyměněny za jiné, jejichž neurony byly upraveny jiným způsobem a tak dále Pro představu o rozsahu práce stojí za to uvést dva údaje: experimentu se zúčastnilo celkem 400 000 much a celková doba videozáznamů jejich chování byla 5400 XNUMX hodin.

Chování bylo velmi pečlivě analyzováno, posuzovalo se, jak se změnil směr pohybu much, jak umístily nohy, jak držely křídla atd. To vše samozřejmě nebylo možné udělat „manuálně“, takže autoři práce použili metody strojového učení: umělá inteligence porovnávala chování much, identifikovala společné rysy a přiřazovala je, se kterými byly aktivovány neurony. Následně musely být některé reakce chování znovu prozkoumány zúžením sady modifikovaných neuronů – aby bylo jasnější vidět, které nervové buňky odpovídají konkrétnímu chování.

V článku v Buňka Říká se, že u much bylo identifikováno 203 bloků chování, včetně letu, plazení z místa na místo, čištění křídel, pokusů o páření s opačným pohlavím a mnohem, mnohem více. (Jedno z videí, které ukazují, jak se mouchy zapojují do kopulačního chování, můžete vidět zde.) Je důležité zdůraznit, že nakonec byl pokryt celý mozek, i když práce, navzdory pomoci umělé inteligence, byla stále titánská. V budoucnu se s největší pravděpodobností bude dále objasňovat role některých nervových okruhů v tom či onom chování, ale tak či onak k těmto objasněním dojde již v rámci více či méně známé mapy mozkové aktivity.

Samozřejmě nezapomínejme, že mozek mouchy je malý a jeho chování je vcelku jednoduché, a pokud bychom chtěli něco podobného udělat pro „chytřejší“ tvory, hned narazíme na mnoho metodických problémů. Dlouho však nikdo nevěřil, že se nám podaří takovou mapu chování mozku u Drosophily sestavit, a přesto byla postavena – díky úsilí specialistů z celé řady oborů, od molekulární genetiky až po strojové učení.

A zde je další důležité ponaučení, které si lze z této práce vzít: že v dnešní době jsou významné vědecké výsledky dosahovány pouze použitím poznatků a metod, které patří do nejrůznějších vědních oborů.

Autor: Kirill Staševič

• Neuron velikosti mozku
• Obžerské neurony
• Deprese je způsobena zamotanými neurony
• Neurony vyhodnocují výhody návyku
• Od tréninku neuronové sítě po chytré roboty