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O estudo mostra como um sistema nervoso coordena saídas comportáveis distintas

Para um sem-fim do nemátodo, um gramado grande das bactérias que come é um grande lugar para que disperse seus ovos de modo que cada hatchling possa emergir em um ambiente nutritivo. É por isso quando um sem-fim vagueia ràpida sobre uma correcção de programa do alimento coloca metodicamente seus ovos enquanto vai. Um estudo novo por neurocientistas no instituto do Picower do MIT para a aprendizagem e a memória investiga este exemplo da coordenação da acção - onde a postura é acoplada ao animal que vagueia - para demonstrar como um sistema nervoso coordena saídas comportáveis distintas. Aquele é um desafio face de muitos organismos, embora em maneiras diferentes, durante o dia-a-dia.

“Todos os animais indicam uma capacidade notável para coordenar seus programas diversos do motor, mas os mecanismos dentro do cérebro que permitem esta coordenação são compreendidos deficientemente,” notam os cientistas, incluindo Steven Flavell, professor adjunto da revelação de carreira dos irmãos do Lister no departamento do MIT do cérebro e de ciências cognitivas.

Os membros Nathan Cermak, Stephanie Yu, e Rebekah Clark do laboratório de Flavell eram autores do co-chumbo do 8 de junho publicado estudo no eLife.

Uma plataforma nova da imagem lactente

Para estudar como os animais coordenam seus programas do motor, a equipe de Flavell inventou uma plataforma nova da microscopia capaz de tomar o sharp, os vídeos da alto-quadro-taxa dos nemátodo por horas ou os dias na extremidade. Guiado pelo software personalizado, o espaço segue automaticamente os sem-fins, permitindo que os pesquisadores compilem a informação sobre o comportamento de cada animal. A equipe igualmente escreveu o software da visão por computador a automaticamente extrai a informação sobre cada um dos programas do motor dos elegans do C. - locomoção, alimentação, postura, e mais -- destes vídeos, rendendo uma imagem próximo-detalhada das saídas comportáveis de cada animal. Flavell disse o custo das peças do espaço aproximadamente $3.000 e pode ser montado em um ou dois dias usando o curso em linha da equipe. Afixaram aquela e o software de sistema em linha para livre. A disponibilidade e a flexibilidade destes microscópios devem permitir que sejam úteis para muitas aplicações diferentes nas ciências biológicas.

Usando este sistema e então analisando os dados, a equipe de Flavell podia identificar pela primeira vez um número de testes padrões do comportamento do nemátodo que envolvem a coordenação de acções de motor múltiplas. Flavell disse que uma introspecção rendida pelo sistema e pela análise subseqüente é que os nemátodo intensa estudados, conhecidos scientifically como elegans do C., têm uns estados comportáveis mais distintos do que supor geralmente. Por exemplo, o estudo encontra que o estado comportável conhecido como a “moradia,” definido previamente com base em ficar animal posto, consiste realmente nos secundário-estados diferentes do múltiplo que poderiam prontamente ser identificados usando esta aproximação nova da imagem lactente.

Comportamentos coordenados pela dopamina

Mas um dos testes padrões comportáveis novos os mais pronunciados que emergiram das análises era a observação que os sem-fins colocam muito mais ovos ao vaguear em um gramado do alimento do que eles faz ao residir. Este provável permite que os animais dispersem completamente seus ovos através de um ambiente nutritivo. Os dois circuitos do motor que controlam a locomoção e a postura neste animal tinham sido definidos com cuidado por trabalhos anteriores. Assim, com base em sua observação nova, a equipe de Flavell decidiu investigar como o sistema nervoso do sem-fim acopla a locomoção e a postura junto. Despejou articular-se na dopamina do neurotransmissor, que é abundante em todos os animais que incluem seres humanos.

Começaram batendo para fora genes para vários neurotransmissor e outras moléculas demodulação. Muitos daqueles candidatos, tais como a serotonina, afectaram o comportamento do animal em maneiras importantes, mas não interromperam este acoplamento de vaguear e da colocar de ovo. Era somente quando a equipe bateu para fora um gene chamado cat-2, que é necessário para a produção da dopamina, que os sem-fins já não aumentaram sua colocação de ovo ao vaguear. Notàvel, não afectou o ritmo da colocação de ovo ao residir, sugerindo que os sem-fins sem dopamina fossem ainda capazes de colocar ovos normalmente quando contratados em outros estados comportáveis.

A equipe mais adicional confirmou o papel da dopamina tomando o controle directo de pilhas deprodução usando o optogenetics, uma tecnologia que permitisse que a actividade do neurônio seja girada de ligar/desligar com os flashes da luz. Nestas experiências, aprenderam aquele que fecham aguda os neurônios dopaminergic a postura reduzida somente quando os animais estavam no estado vagueando, mas ativar estes neurônios poderia conduzir os animais para começar colocar ovos, mesmo sob circunstâncias quando o ritmo da postura é normalmente baixo.

Em seguida, a equipe quis saber onde a dopamina que provoca esta resposta coordenada emergem e quando. Projectaram sem-fins de modo que seus neurônios incandescessem quando se transformaram electricamente active, uma indicação fornecida por um impulso de íons do cálcio. Daqueles flashes viram que um neurônio deprodução particular chamou PDE estado para fora como sendo especialmente activo enquanto os sem-fins vaguearam através de um gramado do alimento, e sua actividade flutuou em colaboração com o movimento dos sem-fins. Repicou, eles viu, imediatamente antes que o sem-fim sups a postura que precipita a colocação de ovo, mas somente quando os sem-fins estavam rastejando ao longo de uma fonte bacteriana do alimento. Notàvel, o neurônio tem os meios - um pouco cabelo-como a estrutura chamada uma pestana - detectar o alimento fora do corpo do sem-fim. Estes estudos sugeriram que o neurônio de PDE integrasse a presença de alimento no ambiente com próprio movimento do sem-fim, gerando um teste padrão da actividade esse essencialmente relatórios como rapidamente os sem-fins estão progredindo através de seu ambiente nutritivo. A liberação da dopamina por este neurônio, e potencial outro também, podiam retransmitir esta informação ao circuito da postura, permitindo a coordenação entre os comportamentos.

A equipe de Flavell igualmente traçou para fora os circuitos neurais rio abaixo da dopamina e encontrou que seus efeitos estão negociados por dois receptors na família D2 dos receptors da dopamina (dop-2 e dop-3). Além, um grupo de neurônios que utilizam o neurotransmissor GABA parece jogar rio abaixo um papel crítico da liberação da dopamina. Supor que o papel da dopamina pode ser uma emissão o sinal entre o alimento abundante e o comportamento vagueando ultrapassar a inibição de GABA de colocação de ovo, permitindo que este comportamento continue.

Finalmente, colocação de ovo quando vaguear era apenas um exemplo do programa do motor que se acopla que o laboratório escolheu dissecar. Flavell e a nota dos co-autores lá são muito outro, demasiado.

“Uma coisa que nos excita sobre este estudo é que é agora fácil com esta plataforma nova da microscopia medir simultaneamente cada um dos programas do motor principal gerados por este animal. Esperançosamente, nós podemos começar pensar sobre o repertório completo dos comportamentos que gera como um grupo completo, coordenado,” disseram.

A equipa de investigação nota que as tecnologias recente-reveladas para a imagem lactente do cálcio do inteiro-cérebro abriram a possibilidade de medir a actividade neuronal durante todo os cérebros de vários animais, incluindo o sem-fim.

Para compreender estes conjunto de dados neurais detalhados da imagem lactente, será importante considerar como se relacionam à saída do cérebro inteiro: o repertório completo das saídas comportáveis que um animal gera.”

Steven Flavell, professor adjunto da revelação de carreira dos irmãos do Lister no departamento do MIT do cérebro e de ciências cognitivas

Outros autores do papel são Yung-Qui Huang e Saba Baskoylu.

O National Science Foundation, os institutos de saúde nacionais, a fundação de JPB e o cérebro e a fundação de pesquisa do comportamento apoiaram a pesquisa.

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.