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L'étude montre comment un système nerveux combine les sorties comportementales distinctes

Pour une vis sans fin de nématode, une grande pelouse des bactéries qu'elle mange est une place grande pour qu'elle disperse ses oeufs de sorte que chaque hatchling puisse apparaître dans un environnement nutritif. C'est pourquoi quand une vis sans fin erre rapidement au sujet d'une correction de nourriture il pond méthodiquement ses oeufs pendant qu'il disparaît. Une étude neuve par des neurologistes à l'institut de Picower du MIT pour apprendre et mémoire vérifie cet exemple de coordination d'action - où la ponte est accouplée à l'animal errant - pour expliquer comment un système nerveux combine les sorties comportementales distinctes. C'est un défi face de beaucoup d'organismes, quoique dans différentes voies, pendant la vie quotidienne.

« Tous les animaux manifestent une capacité remarquable de combiner leurs divers programmes de moteur, mais les mécanismes dans le cerveau qui tiennent compte de cette coordination sont mal compris, » notent les scientifiques, y compris Steven Flavell, professeur adjoint de développement de la vie professionnelle de frères de listeuse dans le service du MIT du cerveau et des sciences cognitives.

Les membres de laboratoire de Flavell Nathan Cermak, Stephanie Yu, et Rebekah Clark étaient des auteurs de Co-fil étude du 8 juin publié dans l'eLife.

Une plate-forme neuve de représentation

Pour étudier comment les animaux combinent leurs programmes de moteur, l'équipe de Flavell a inventé une plate-forme neuve de microscopie capable de prendre le dièse, les vidéos de haut-bâti-rate des nématodes pendant des heures ou les jours sur l'extrémité. Guidé par le logiciel personnalisé, l'étendue suit automatiquement les vis sans fin, permettant aux chercheurs de compiler des informations sur le comportement de chaque animal. L'équipe a également écrit le logiciel de vision par ordinateur à automatiquement extraient des informations sur chacun des programmes de moteur d'elegans de C. - locomotion, alimenter, ponte, et plus -- de ces vidéos, fournissant une illustration proche-complète des sorties comportementales de chaque animal. Flavell a dit que les pièces d'étendue coûtent environ $3.000 et peuvent être réunies dans un jour ou deux utilisant le tutoriel en ligne de l'équipe. Elles ont posté qu'et le logiciel système en ligne pour libre. L'accessibilité et la souplesse de ces microscopes devraient leur permettre d'être utiles pour beaucoup de différentes applications en sciences biologiques.

À l'aide de ce système et puis d'analyser les caractéristiques, l'équipe de Flavell pouvait recenser pour la première fois un certain nombre de modes de comportement de nématode qui concernent la coordination des actions de moteur multiples. Flavell a dit qu'une analyse fournie par le système et l'analyse suivante est que les nématodes intensément étudiés, connus scientifiquement comme elegans de C., ont des conditions comportementales plus distinctes que généralement assumées. Par exemple, l'étude constate que la condition comportementale connue sous le nom de « logement, » précédemment défini basé sur rester animal mise, se compose réellement des différents sous-états de multiple qui pourraient être promptement recensés utilisant cette approche neuve de représentation.

Comportements coordonnés par la dopamine

Mais une des configurations comportementales neuves les plus prononcées qui ont apparu des analyses était l'observation que les vis sans fin pondent beaucoup plus d'oeufs tout en errant sur une pelouse de nourriture qu'ils font tout en demeurant. Ce susceptible permet à des animaux de disperser complètement leurs oeufs en travers d'un environnement nutritif. Les circuits bis-moteur qui règlent la locomotion et la ponte chez cet animal avaient été soigneusement définis par des anciens travaux. Ainsi, basé sur leur observation neuve, l'équipe de Flavell a décidé de vérifier comment le système nerveux de la vis sans fin accouple la locomotion et la ponte ensemble. Il s'est avéré s'articuler sur la dopamine de neurotransmetteur, qui est abondante chez tous les animaux comprenant des êtres humains.

Ils ont commencé à l'extérieur par assommer des gènes pour différentes neurotransmetteurs et d'autres molécules de cerveau-modulation. Plusieurs de ces candidats, tel que la sérotonine, ont affecté le comportement de l'animal des voies importantes, mais n'ont pas perturbé ce couplage d'errer et de ponte d'oeufs. Il était seulement quand l'équipe a assommé un gène cat-2 appelé, qui est nécessaire pour la production de dopamine, que les vis sans fin n'ont plus augmenté leur ponte d'oeufs tout en errant. Notamment, il n'a pas affecté le rythme de la ponte d'oeufs tout en demeurant, proposant que les vis sans fin sans dopamine aient été encore capables de pondre des oeufs normalement tandis qu'occupées dans d'autres conditions comportementales.

L'équipe autre a confirmé le rôle de la dopamine en prenant des commandes directes de cellules productrices de dopamine utilisant l'optogenetics, une technologie qui permet à l'activité de neurone d'être tournée mise en marche/arrêt avec des bavures de la lumière. Dans ces expériences, ils ont appris cela arrêtant intensément la ponte réduite de neurones dopaminergiques seulement tandis que les animaux étaient dans la condition errante, mais la commande de ces neurones pourrait piloter les animaux pour commencer à pondre des oeufs, même dans des circonstances quand le rythme de la ponte est normalement inférieur.

Ensuite, l'équipe a voulu savoir où la dopamine qui déclenche cette réaction coordonnée apparaît et quand. Ils ont conçu des vis sans fin de sorte que leurs neurones rougeoient quand ils sont devenus électriquement active, un signe fourni par une vague d'ions calcium. De ces bavures ils ont vu qu'un neurone producteur de dopamine particulier PDE appelé est resté à l'extérieur en tant qu'étant particulièrement actif pendant que les vis sans fin erraient en travers d'une pelouse de nourriture, et leur activité a flotté en association avec le mouvement des vis sans fin. Elle a fait une pointe, elles a vu, juste avant que la vis sans fin ait assumé la position qui précipite la ponte d'oeufs, mais seulement quand les vis sans fin rampaient le long d'une source alimentaire bactérienne. Notamment, le neurone a les moyens - une petite structure cheveu cheveu appelée un cil - de détecter la nourriture en dehors du fuselage de la vis sans fin. Ces études ont proposé que le neurone de PDE intègre la présence de la nourriture dans l'environnement avec le propre mouvement de la vis sans fin, produisant d'une configuration d'activité cette essentiellement des états à quelle rapidité les vis sans fin progressent par leur environnement nutritif. Le desserrage de la dopamine par ce neurone, et potentiellement d'autres aussi bien, ont pu retransmettre cette information au circuit de ponte, tenant compte de la coordination entre les comportements.

L'équipe de Flavell également a tracé à l'extérieur les circuits neuraux en aval de la dopamine et a constaté que ses effets sont assistés par deux récepteurs dans la famille D2 des récepteurs dopaminergiques (dop-2 et dop-3). De plus, un ensemble de neurones qui utilisent la neurotransmetteur GABA semblent jouer un rôle critique en aval de la libération de dopamine. Ils présument que le rôle de la dopamine peut être un envoi le signe parmi la nourriture abondante et le comportement errant de dépasser l'inhibition du GABA de la ponte d'oeufs, permettant à ce comportement d'effectuer.

Éventuel, ponte d'oeufs tandis qu'errer était juste un exemple de programme de moteur s'accouplant que le laboratoire a choisi de disséquer. Flavell et note de co-auteurs là sont beaucoup d'autres, aussi.

« Une chose qui nous excite au sujet de cette étude est qu'il est maintenant facile avec cette plate-forme neuve de microscopie de mesurer simultanément chacun des programmes de moteur principal produits par cet animal. Si tout va bien, nous pouvons commencer à penser au plein répertoire des comportements des lesquels il produit comme un jeu complet et coordonné, » ils ont dit.

L'équipe de recherche note que les technologies développées récemment pour la représentation de calcium d'entier-cerveau ont ouvert la possibilité de mesurer l'activité neuronale dans tous les cerveaux des animaux variés, y compris la vis sans fin.

Pour comprendre ces ensembles de données neuraux complets de représentation, il sera important de considérer comment ils associent à la sortie du cerveau entier : le plein répertoire des sorties comportementales des lesquelles un animal produit. »

Steven Flavell, professeur adjoint de développement de la vie professionnelle de frères de listeuse dans le service du MIT du cerveau et des sciences cognitives

D'autres auteurs du papier sont Yung-Chi Huang et Saba Baskoylu.

Le National Science Foundation, les instituts de la santé nationaux, la fondation de JPB et le cerveau et la fondation de recherches de comportement ont supporté la recherche.

Source:
Journal reference:

Cermak, N., et al. (2020) Whole-organism behavioral profiling reveals a role for dopamine in state-dependent motor program coupling in C. elegans. eLife. doi.org/10.7554/eLife.57093.