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Lo studio mostra come un sistema nervoso coordina gli output comportamentistici distinti

Per un verme del nematode, un grande prato inglese dei batteri che mangia è un grande posto affinchè disperda le sue uova in moda da potere emergere ogni hatchling in un ambiente nutritivo. Ecco perché quando un verme vaga veloce circa una toppa dell'alimento fa metodicamente le sue uova mentre va. Un nuovo studio dai neuroscenziati all'istituto del Picower del MIT per l'apprendimento e la memoria studia questo esempio di coordinamento di atto - dove la deposizione delle uova è accoppiata all'animale che vaga - per dimostrare come un sistema nervoso coordina gli output comportamentistici distinti. Quella è una sfida fronte di taglio di molti organismi, anche se nei modi diversi, durante la vita quotidiana.

“Tutti gli animali video una capacità notevole di coordinare i loro diversi programmi del motore, ma i meccanismi all'interno del cervello che tengono conto questo coordinamento sono capiti male,„ notano gli scienziati, compreso Steven Flavell, l'assistente universitario dello sviluppo di carriera dei fratelli del Lister nel dipartimento del MIT del cervello e delle scienze cognitive.

I membri Nathan Cermak, Stephanie Yu e Rebekah Clark del laboratorio di Flavell erano autori del co-cavo dell'8 giugno pubblicato studio nel eLife.

Una nuova piattaforma di rappresentazione

Per studiare come gli animali coordinano i loro programmi del motore, il gruppo di Flavell ha inventato una nuova piattaforma di microscopia capace di richiedere lo sharp, i video di alto-fotogramma-rate dei nematodi per ore e ore o i giorni sull'estremità. Guida da software personalizzato, la portata tiene la carreggiata automaticamente i vermi, permettendo che i ricercatori compilino le informazioni sul comportamento di ogni animale. Il gruppo egualmente ha scritto il software di visione artificiale ad automaticamente estrae le informazioni su ciascuno dei programmi del motore dei elegans del C. - locomozione, alimentare, la deposizione delle uova e più -- da questi video, rendenti una maschera quasi-completa degli output comportamentistici di ogni animale. Flavell ha detto il costo delle parti di portata circa $3.000 e può essere montato in un giorno o due facendo uso dell'esercitazione online del gruppo. Hanno inviato quella ed il software del sistema online gratis. L'accessibilità e la flessibilità di questi microscopi dovrebbero permetterle di essere utili per molte applicazioni differenti nelle scienze biologiche.

Usando questo sistema e poi analizzando i dati, il gruppo di Flavell poteva identificare per la prima volta una serie di schemi di comportamento del nematode che comprendono il coordinamento degli atti di motore multipli. Flavell ha detto che una comprensione resa dal sistema e dall'analisi successiva è che i nematodi intensamente studiati, conosciuti scientifico come elegans del C., hanno stati comportamentistici più distinti che presupposti generalmente. Per esempio, lo studio trova che lo stato comportamentistico conosciuto come “l'abitazione,„ precedentemente definito in base a restare animale messo, realmente consiste dei sottostati differenti di multiplo che potrebbero essere identificati prontamente facendo uso di questo nuovo approccio della rappresentazione.

Comportamenti coordinati da dopamina

Ma uno di nuovi reticoli comportamentistici più pronunciati che sono emerso dalle analisi era l'osservazione che i vermi fanno molte altre uova mentre vagano su un prato inglese dell'alimento che essi fa mentre abitava. Questo probabile permette che gli animali disperdano completamente le loro uova attraverso un ambiente nutritivo. I due circuiti del motore che gestiscono la locomozione e la deposizione delle uova in questo animale erano stati definiti con attenzione tramite lavoro precedente. Così, in base alla loro nuova osservazione, il gruppo di Flavell ha deciso di studiare come il sistema nervoso del verme coppia insieme la locomozione e la deposizione delle uova. È risultato munire di cardini la dopamina del neurotrasmettitore, che è abbondante in tutti gli animali compreso gli esseri umani.

Hanno cominciato fuori tramortendo i geni per vari neurotrasmettitori ed altre molecole dimodulazione. Molti di quei candidati, quale serotonina, hanno pregiudicato il comportamento dell'animale nei modi importanti, ma non hanno interrotto questo accoppiamento vagare e della deposizione delle uova. Era soltanto quando il gruppo ha tramortito un gene chiamato cat-2, che è necessario per produzione della dopamina, che i vermi più non hanno aumentato la loro deposizione delle uova mentre vagavano. Considerevolmente, non ha pregiudicato il passo della deposizione delle uova mentre abitava, suggerente che i vermi senza dopamina fossero ancora capaci di fare le uova normalmente mentre impegnati in altri stati comportamentistici.

Il gruppo ulteriore ha confermato il ruolo di dopamina catturando il controllo diretto delle celle producenti dopamina facendo uso del optogenetics, una tecnologia che permette che l'attività del neurone sia girata inserita/disinserita con i flash di indicatore luminoso. In questi esperimenti, hanno imparato quello acutamente che interrompono la deposizione delle uova diminuita neuroni dopaminergici soltanto mentre gli animali erano nello stato vagante, ma attivare questi neuroni potrebbe guidare gli animali per cominciare fare le uova, anche in circostanze quando il passo della deposizione delle uova è normalmente basso.

Dopo, il gruppo ha voluto sapere dove la dopamina che avvia questa risposta coordinata emerge e quando. Hanno costruito i vermi in modo che i loro neuroni emettessero luce quando si sono trasformati in elettricamente in attivo, un'indicazione fornita da un impulso degli ioni del calcio. Da quei flash hanno veduto che un neurone producente dopamina particolare ha chiamato PDE partecipato fuori come essendo particolarmente attivo mentre i vermi hanno vagato attraverso un prato inglese dell'alimento e la loro attività ha oscillato in collaborazione con il moto dei vermi. Ha alzato, essi ha veduto, appena prima che il verme ha ammesso la posizione che precipita la deposizione delle uova, ma soltanto quando i vermi stavano strisciando lungo una sorgente batterica dell'alimento. Considerevolmente, il neurone ha i mezzi - una piccola struttura del tipo di capelli chiamata un ciglio - per percepire l'alimento fuori dell'organismo del verme. Questi studi hanno suggerito che il neurone di PDE integrasse la presenza di alimento nell'ambiente con il proprio moto del verme, generante un reticolo di attività quel essenzialmente rapporti quanto i vermi stanno progredendo rapidamente attraverso il loro ambiente nutritivo. La versione di dopamina da questo neurone e potenzialmente altre pure, hanno potuto trasmettere questi informazioni al circuito della deposizione delle uova, tenendo conto il coordinamento fra i comportamenti.

Il gruppo di Flavell egualmente ha pianificato i circuiti neurali a valle di dopamina ed ha trovato che i sui effetti sono mediati da due ricevitori nella famiglia D2 dei ricevitori della dopamina (dop-2 e dop-3). Inoltre, un insieme dei neuroni che utilizzano il neurotrasmettitore GABA sembra svolgere un ruolo critico a valle della versione della dopamina. Suppongono che il ruolo di dopamina possa essere un invio il segnale in mezzo di alimento abbondante e di comportamento vagante ignorare l'inibizione di GABA di deposizione delle uova, permettendo che questo comportamento continui.

Infine, deposizione delle uova mentre vagare era appena un esempio del programma del motore che coppia che il laboratorio ha scelto di dividere. Flavell e la nota dei co-author là sono molti altri, anche.

“Una cosa che ci eccita circa questo studio è che ora è facile con questa nuova piattaforma di microscopia da misurare simultaneamente ciascuno dei programmi del motore principale generati da questo animale. Eventualmente, possiamo cominciare pensare al repertorio completo dei comportamenti che genera come un insieme completo e coordinato,„ hanno detto.

Il gruppo di ricerca nota che le tecnologie sviluppate di recente per la rappresentazione del calcio del intero-cervello hanno aperto la possibilità di misurazione dell'attività di un neurone in tutto i cervelli di vari animali, compreso il verme.

Per capire questi gruppi di dati neurali completi della rappresentazione, sarà importante considerare come si riferiscono all'output di intero cervello: il repertorio completo degli output comportamentistici che un animale genera.„

Steven Flavell, assistente universitario di sviluppo di carriera dei fratelli del Lister nel dipartimento del MIT del cervello e delle scienze cognitive

Altri autori del documento sono Yung-"chi" Huang e Saba Baskoylu.

Il National Science Foundation, gli istituti della sanità nazionali, le fondamenta di JPB ed il cervello e le fondamenta di ricerca di comportamento hanno supportato la ricerca.

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.