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El estudio muestra cómo un sistema nervioso coordina rendimientos del comportamiento distintos

Para un tornillo sin fin del nematodo, un césped grande de las bacterias que come es un gran lugar para que disperse sus huevos de modo que cada hatchling pueda emerger en un ambiente nutritivo. Por eso cuando un tornillo sin fin vaga por rápido sobre un remiendo de la comida pone metódicamente sus huevos mientras que va. Un nuevo estudio de los neurólogos en el instituto de Picower del MIT para aprender y la memoria investiga este ejemplo de la coordinación de la acción - donde la postura se acopla al animal que vaga por - para demostrar cómo un sistema nervioso coordina rendimientos del comportamiento distintos. Eso es un reto cara de muchos organismos, no obstante en maneras diferentes, durante vida de cada día.

“Todos los animales visualizan una capacidad notable de coordinar sus programas diversos del motor, pero los mecanismos dentro del cerebro que permiten esta coordinación son mal entendidos,” observan a los científicos, incluyendo Steven Flavell, profesor adjunto del revelado de carrera de los hermanos del Lister en el departamento del MIT del cerebro y de ciencias cognitivas.

Las piezas Nathan Cermak, Stephanie Yu, y Rebekah Clark del laboratorio de Flavell eran autores del co-guía del 8 de junio publicado estudio en eLife.

Una nueva plataforma de la proyección de imagen

Para estudiar cómo los animales coordinan sus programas del motor, las personas de Flavell inventaron una nueva plataforma de la microscopia capaz de tardar sostenido, los vídeos del alto-marco-régimen de los nematodos por horas o los días en extremo. Conducido por el software personalizado, la extensión rastrea automáticamente los tornillos sin fin, permitiendo que los investigadores compilen la información sobre el comportamiento de cada animal. Las personas también escribieron software de la visión por ordenador a automáticamente extraen la información sobre cada uno de los programas del motor de los elegans de la C. - locomoción, el introducir, postura, y más -- de estos vídeos, rindiendo un retrato cercano-completo de los rendimientos del comportamiento de cada animal. Flavell dijo el costo cerca de $3.000 y puede ser montado en un día o dos de las piezas de la extensión usando la guía en línea de las personas. Han asentado eso y el software del sistema en línea gratis. La asequibilidad y la adaptabilidad de estos microscopios deben permitir que sean útiles para muchos diversos usos en las ciencias biológicas.

Usando este sistema y después analizar los datos, las personas de Flavell podían determinar por primera vez varias configuraciones del comportamiento del nematodo que implican la coordinación de las acciones de motor múltiples. Flavell dijo que un discernimiento rendido por el sistema y el análisis subsiguiente es que los nematodos intenso estudiados, conocidos científico como elegans de la C., tienen estados del comportamiento más distintos que asumidos generalmente. Por ejemplo, el estudio encuentra que el estado del comportamiento conocido como “vivienda,” definido previamente sobre la base del tirante animal puesto, consiste en real diversos subestados del múltiplo que se podrían determinar fácilmente usando esta nueva aproximación de la proyección de imagen.

Comportamientos coordinados por la dopamina

Pero una de las nuevas configuraciones del comportamiento más pronunciadas que emergieron de los análisis era la observación que los tornillos sin fin ponen muchos más huevos mientras que vagan por en un césped de la comida que ellos hace mientras que moraba. Este probable permite que los animales dispersen a conciencia sus huevos a través de un ambiente nutritivo. Los circuitos bimotores que controlan la locomoción y la postura en este animal habían sido definidos cuidadosamente por el trabajo previo. Así pues, sobre la base de su nueva observación, las personas de Flavell decidían investigar cómo el sistema nervioso del tornillo sin fin acopla la locomoción y la postura junta. Resultó articularse en la dopamina del neurotransmisor, que es abundante en todos los animales incluyendo seres humanos.

Comenzaron eliminando los genes para los diversos neurotransmisores y otras moléculas de cerebro-modulación. Muchos de esos candidatos, tales como serotonina, afectaron al comportamiento del animal de maneras importantes, pero no rompieron este acoplamiento de la itinerancia y de poner de huevo. Era solamente cuando las personas eliminaron un gen llamado cat-2, que es necesario para la producción de la dopamina, que los tornillos sin fin aumentaron no más su poner de huevo mientras que vagaban por. Notablemente, no afectó al paso de poner de huevo mientras que moraba, sugiriendo que los tornillos sin fin sin dopamina eran todavía capaces de poner los huevos normalmente mientras que estaban empeñados a otros estados del comportamiento.

Las personas más futuras confirmaron el papel de la dopamina tomando el mando directo de células dopamina-que producían usando el optogenetics, una tecnología que permite que la actividad de la neurona sea girada con./desc. con las llamaradas de la luz. En estos experimentos, aprendieron eso que cerraban agudo la postura reducida las neuronas dopaminérgicas solamente mientras que los animales estaban en el estado de itinerancia, pero activar estas neuronas podría impulsar los animales para comenzar a poner los huevos, incluso bajo condiciones económicas cuando el paso de la postura es normalmente inferior.

Después, las personas quisieron saber dónde emerge la dopamina que acciona esta reacción coordinada y cuando. Dirigieron tornillos sin fin de modo que sus neuronas brillaran intensamente cuando se convirtieron en eléctricamente active, una indicación ofrecida por un aumento de iones del calcio. De esas llamaradas vieron que una neurona dopamina-que producía determinada llamó PDE destacado como siendo especialmente activa mientras que los tornillos sin fin vagaron por a través de un césped de la comida, y su actividad fluctuó en asociación con el movimiento de los tornillos sin fin. Enarboló, ellos vio, momentos antes que el tornillo sin fin asumió la postura que precipita poner de huevo, pero solamente cuando los tornillos sin fin se arrastraban a lo largo de una fuente bacteriana de la comida. Notablemente, la neurona tiene los medios - un poco pelo-como la estructura llamada un cilio - de detectar la comida fuera de la carrocería del tornillo sin fin. Estos estudios sugirieron que la neurona de PDE integre la presencia de comida en el ambiente con el propio movimiento del tornillo sin fin, generando una configuración de la actividad esa esencialmente los partes cómo los tornillos sin fin están progresando rápidamente en su ambiente nutritivo. La baja de la dopamina por esta neurona, y potencialmente otras también, podían retransmitir esta información al circuito de la postura, teniendo en cuenta la coordinación entre los comportamientos.

Las personas de Flavell también proyectaron el conjunto de circuitos de los nervios río abajo desde la dopamina y encontraron que sus efectos son mediados por dos receptores en la familia D2 de receptores de la dopamina (dop-2 y dop-3). Además, un equipo de las neuronas que utilizan el neurotransmisor GABA aparece desempeñar un papel crítico río abajo desde baja de la dopamina. Presumen que el papel de la dopamina puede ser un envío la señal en medio de la comida abundante y del comportamiento de itinerancia de reemplazar la inhibición de GABA de poner de huevo, permitiendo que proceda este comportamiento.

Final, el poner de huevo mientras que la itinerancia era apenas un ejemplo del programa del motor que acoplaba que el laboratorio eligió disecar. Flavell y la nota de los co-autores allí son muchos otros, también.

“Una cosa que nos excita sobre este estudio es que es fácil ahora con esta nueva plataforma de la microscopia medir simultáneamente cada uno de los programas del motor principal generados por este animal. Esperanzadamente, podemos comenzar a pensar en el repertorio completo de los comportamientos que genera como un equipo completo, coordinado,” dijeron.

El equipo de investigación observa que las tecnologías recientemente desarrolladas para la proyección de imagen del calcio del entero-cerebro han abierto la posibilidad de medir actividad neuronal en los cerebros de diversos animales, incluyendo el tornillo sin fin.

Para entender estos grupos de datos de los nervios completos de la proyección de imagen, será importante considerar cómo se relacionan con el rendimiento del cerebro entero: el repertorio completo de los rendimientos del comportamiento que un animal genera.”

Steven Flavell, profesor adjunto del revelado de carrera de los hermanos del Lister en el departamento del MIT del cerebro y de ciencias cognitivas

Otros autores del papel son Yung-Ji Huang y Saba Baskoylu.

El National Science Foundation, los institutos de la salud nacionales, el asiento de JPB y el cerebro y el asiento de investigación del comportamiento soportaron la investigación.

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.