Ученые определили нейронную цепь, которая обеспечивает самолокализацию у рыбок данио

Многорегиональная мозговая цепь позволяет личинкам данио отслеживать, где они находятся, где они были и как вернуться в исходное место после перемещения, сообщают исследователи 22 декабря в журнале. Клетка. Результаты проливают свет на то, как личинки рыбок данио отслеживают свое собственное местоположение и используют это для навигации после того, как их сбило с курса течением.


«Мы изучили поведение, при котором личинки рыбок данио должны помнить прошлые перемещения, чтобы точно сохранять свое местоположение в пространстве, потому что, например, поток воды может унести их в опасные области их естественной среды», — говорит старший автор Миша Аренс из Исследовательского городка Джанелия. Медицинский институт Говарда Хьюза. «Однако неизвестно, отслеживают ли они явно свое местоположение в течение длительного времени и используют ли запомненную информацию о местоположении, чтобы вернуться к своему предыдущему местоположению – поведение, которое мы называем позиционным гомеостазом. во время отдыха».

Многие животные следят за тем, где они находятся в окружающей среде. Они используют информацию о своем местоположении для многих важных действий, таких как эффективное возвращение в безопасные места после посещения неизвестных и потенциально опасных мест, повторное посещение богатых едой районов и избегание поиска пищи в районах с низким содержанием пищи. В то время как саморасположение представлено в гиппокампальной формации, неизвестно, как возникают такие представления, существуют ли они в более древних областях мозга и какими путями они контролируют движение.

«Такие цепи было трудно точно определить, потому что нейробиология обычно опирается на записи клеток в заранее выбранных областях мозга, которые охватывают небольшую часть всех ов в мозге», — говорит первый автор Эн Ян из Исследовательского кампуса Джанелия Медицинского института Говарда Хьюза.

В новом исследовании исследователи намеревались идентифицировать полные навигационные цепи у личинок рыбок данио, от интеграторов движения до премоторных центров, путем исчерпывающей визуализации и анализа всего мозга с клеточным разрешением во время поведения, которое зависит от самолокализации. Доступ к более чем 100 000 нейронов на одно животное выявил участки мозга, участие которых в самолокализации ранее было неизвестно, что привело к открытию мультирегиональной цепи заднего мозга, опосредующей преобразование скорости через память смещения в поведение.

«Наши результаты раскрывают нейронную систему для самолокализации и связанного с ней поведения в заднем мозге позвоночных и обеспечивают понимание ее функций на уровне цепей, репрезентативных и теоретических элементов управления. Система функционирует в замкнутом цикле с динамическими средами, и Петля окружающая среда-мозг-поведение включает в себя интеграцию, нейронные репрезентации собственного местоположения и двигательный контроль», — говорит Аренс. «Эти результаты демонстрируют необходимость рассматривать мозг на целостном уровне и объединять концепции системной нейробиологии, такие как самолокализация и двигательный контроль, которые часто изучаются отдельно».

Функциональная визуализация всего мозга выявила не только существование позиционного гомеостаза у личинок данио, но и то, как мозг идентифицирует и исправляет изменения в расположении рыбок данио. Лежащая в основе цепь вычисляет собственное местоположение в дорсальной части ствола мозга, интегрируя визуальную информацию для формирования памяти о прошлых перемещениях, когда животное активно или пассивно меняет свое местоположение. Это представление о собственном местоположении считывается нижней оливой как долговременный сигнал ошибки позиционирования, отражающий разницу между исходным и текущим положением рыбы. Этот сигнал преобразуется в двигательный выходной сигнал, который корректирует накопленные смещения в течение многих секунд.

Авторы говорят, что эта мультирегиональная схема имеет потенциальных анатомических и функциональных гомологов у млекопитающих и может взаимодействовать с другими известными репрезентациями самолокации. Более того, эта работа связывает самолокализацию и оливомозжечковый моторный контроль и устанавливает, что задний мозг позвоночных является нервным центром управления целенаправленным навигационным поведением.

«Наши результаты по запоминанию местоположения и позиционному гомеостазу перекликаются с идеей о том, что эволюционно древние области мозга вносят центральный вклад в поведение более высокого порядка», — говорит Аренс. «Идея о том, что когнитивные процессы широко распространены в нервной системе, согласуется с эволюционным предположением о том, что сложное поведение частично возникло в результате создания новых цепей поверх древних структур мозга, которые выполняют связанные вычисления. Таким образом, исследования нейронной активности в масштабах всего мозга могут иметь решающее значение для определения механизмов распределенной когнитивной функции».