Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Đối với một loài giun tròn, một bãi cỏ lớn của vi khuẩn mà nó ăn là nơi tuyệt vời để nó phát tán trứng để mỗi con nở có thể xuất hiện trong môi trường dinh dưỡng. Đó là lý do tại sao khi một con sâu nhanh chóng đi lang thang về một miếng thức ăn, nó sẽ đẻ trứng một cách có phương pháp. Một nghiên cứu mới của các nhà thần kinh học điều tra ví dụ này về phối hợp hành động – trong đó việc đẻ trứng được kết hợp với chuyển vùng của động vật – để chứng minh làm thế nào một hệ thống thần kinh phối hợp các đầu ra hành vi khác biệt. Đó là một thách thức mà nhiều sinh vật phải đối mặt, mặc dù theo những cách khác nhau, trong cuộc sống hàng ngày.
Đối với một loài giun tròn, một bãi cỏ lớn của vi khuẩn mà nó ăn là nơi tuyệt vời để nó phát tán trứng để mỗi con nở có thể xuất hiện trong môi trường dinh dưỡng. Đó là lý do tại sao khi một con sâu nhanh chóng đi lang thang về một miếng thức ăn, nó sẽ đẻ trứng một cách có phương pháp. Một nghiên cứu mới của các nhà thần kinh học tại Viện học tập và trí nhớ Picower của MIT điều tra ví dụ về sự phối hợp hành động này – nơi việc đẻ trứng được kết hợp với chuyển vùng của động vật – để chứng minh cách hệ thống thần kinh phối hợp các kết quả hành vi khác biệt. Đó là một thách thức mà nhiều sinh vật phải đối mặt, mặc dù theo những cách khác nhau, trong cuộc sống hàng ngày.
“Tất cả các loài động vật đều thể hiện khả năng đáng chú ý trong việc điều phối các chương trình vận động đa dạng của chúng, nhưng các cơ chế trong não cho phép phối hợp này vẫn chưa được hiểu rõ”, các nhà khoa học, bao gồm Steven Flavell, Trợ lý phát triển nghề nghiệp của Lister Brothers tại Khoa não của MIT và Khoa học nhận thức.
Các thành viên phòng thí nghiệm của Flavell, Nathan Cermak, Stephanie Yu và Rebekah Clark là đồng tác giả chính của nghiên cứu được công bố ngày 8 tháng 6 trên eLife .
Một nền tảng hình ảnh mới
Để nghiên cứu cách động vật phối hợp các chương trình động cơ của chúng, nhóm của Flavell đã phát minh ra một nền tảng kính hiển vi mới có khả năng quay các video tuyến tính sắc nét, tốc độ khung hình cao trong nhiều giờ hoặc nhiều ngày. Được hướng dẫn bởi phần mềm tùy chỉnh, phạm vi sẽ tự động theo dõi sâu, cho phép các nhà nghiên cứu biên dịch thông tin về hành vi của từng con vật. Nhóm nghiên cứu cũng đã viết phần mềm thị giác máy để tự động trích xuất thông tin về từng chương trình động cơ C. Elegans – vận động, cho ăn, đẻ trứng và hơn thế nữa – từ những video này, mang lại một bức tranh gần như toàn diện về đầu ra hành vi của mỗi động vật. Flavell cho biết các bộ phận phạm vi có giá khoảng 3.000 đô la và có thể được lắp ráp trong một hoặc hai ngày bằng hướng dẫn trực tuyến của nhóm. Họ đã đăng tải phần mềm đó và hệ thống trực tuyến miễn phí.
Bằng cách sử dụng hệ thống này và sau đó phân tích dữ liệu, lần đầu tiên nhóm của Flavell có thể xác định được một số mô hình hành vi tuyến trùng liên quan đến sự phối hợp của nhiều hành động vận động. Flavell cho biết một cái nhìn sâu sắc do hệ thống mang lại và phân tích tiếp theo là tuyến trùng được nghiên cứu mạnh mẽ, có tên khoa học là C. Elegans, có nhiều trạng thái hành vi khác biệt hơn so với giả định chung. Ví dụ, nghiên cứu phát hiện ra rằng trạng thái hành vi được gọi là “cư ngụ”, được xác định trước đó dựa trên cơ sở nuôi động vật, thực sự bao gồm nhiều trạng thái phụ khác nhau có thể dễ dàng xác định bằng cách sử dụng phương pháp hình ảnh mới này.
Hành vi phối hợp bởi dopamine
Nhưng một trong những mô hình hành vi mới rõ rệt nhất xuất hiện từ các phân tích là quan sát thấy giun đẻ nhiều trứng hơn khi đi lang thang trên bãi cỏ thức ăn so với khi chúng ở. Điều này có khả năng cho phép động vật phân tán triệt để trứng của chúng trong một môi trường dinh dưỡng. Hai mạch động cơ điều khiển đầu máy và đẻ trứng ở động vật này đã được xác định cẩn thận bởi công việc trước đó. Vì vậy, dựa trên quan sát mới của họ, nhóm của Flavell đã quyết định điều tra làm thế nào hệ thống thần kinh của giun kết hợp sự vận động và đẻ trứng với nhau. Hóa ra là bản lề của chất dẫn truyền thần kinh dopamine, có nhiều ở tất cả các loài động vật bao gồm cả con người.
Họ bắt đầu bằng cách loại bỏ các gen cho các chất dẫn truyền thần kinh khác nhau và các phân tử điều chế não khác. Nhiều “người” trong số những ứng cử viên đó, chẳng hạn như serotonin, đã ảnh hưởng đến hành vi của động vật theo những cách quan trọng, nhưng không phá vỡ sự kết hợp giữa chuyển vùng và đẻ trứng này. Chỉ đến khi nhóm nghiên cứu loại bỏ một gen có tên là cat-2, cần thiết cho việc sản xuất dopamine, thì những con giun không còn tăng trứng khi chúng chuyển vùng. Đáng chú ý, nó không ảnh hưởng đến tốc độ đẻ trứng trong khi ở, cho thấy những con giun không có dopamine vẫn có khả năng đẻ trứng bình thường trong khi tham gia vào các trạng thái hành vi khác.
Nhóm nghiên cứu đã xác nhận thêm vai trò của dopamine bằng cách kiểm soát trực tiếp các tế bào sản xuất dopamine bằng cách sử dụng optogenetic, một công nghệ cho phép bật hoặc tắt hoạt động của tế bào thần kinh với ánh sáng nhấp nháy. Trong các thí nghiệm này, họ đã học được rằng việc tắt các tế bào thần kinh dopaminergic chỉ làm giảm việc đẻ trứng trong khi động vật ở trạng thái chuyển vùng, nhưng kích hoạt các tế bào thần kinh này có thể khiến động vật bắt đầu đẻ trứng, ngay cả trong trường hợp tốc độ đẻ trứng bình thường thấp.
Tiếp theo, nhóm nghiên cứu muốn biết dopamine kích hoạt phản ứng phối hợp này xuất hiện ở đâu và khi nào. Họ chế tạo những con giun để tế bào thần kinh của chúng phát sáng khi chúng hoạt động bằng điện, một dấu hiệu được cung cấp bởi sự gia tăng của các ion canxi. Từ những tia sáng đó, họ thấy rằng một tế bào thần kinh sản xuất dopamine đặc biệt gọi là PDE nổi bật vì hoạt động đặc biệt khi những con giun lang thang trên bãi cỏ và hoạt động của chúng dao động liên quan đến chuyển động của giun. Họ đã đạt đến đỉnh điểm, ngay trước khi con sâu giả định tư thế làm kết tủa trứng, nhưng chỉ khi con giun bò dọc theo nguồn thức ăn của vi khuẩn. Đáng chú ý, tế bào thần kinh có phương tiện – một cấu trúc giống như lông nhỏ gọi là cilium – để cảm nhận thức ăn bên ngoài cơ thể con giun. Các nghiên cứu này cho thấy tế bào thần kinh PDE tích hợp sự hiện diện của thức ăn trong môi trường với chuyển động của giun, tạo ra một mô hình hoạt động báo cáo về việc giun tiến triển nhanh như thế nào trong môi trường dinh dưỡng của chúng. Việc phát hành dopamine bởi tế bào thần kinh này, và có khả năng là những người khác, có thể chuyển thông tin này đến mạch đẻ trứng, cho phép phối hợp giữa các hành vi.
Nhóm của Flavell cũng đã lập bản đồ mạch thần kinh ở hạ lưu dopamine và thấy rằng tác dụng của nó được điều hòa bởi hai thụ thể trong họ thụ thể dopamine D2 (dop-2 và dop-3). Ngoài ra, một tập hợp các tế bào thần kinh sử dụng chất dẫn truyền thần kinh GABA dường như đóng một vai trò quan trọng trong việc giải phóng dopamine. Họ đưa ra giả thuyết rằng vai trò của dopamine có thể là tín hiệu gửi giữa thực phẩm dồi dào và hành vi chuyển vùng để ghi đè lên sự ức chế đẻ trứng của GABA, cho phép hành vi này được tiến hành.
Cuối cùng, việc đẻ trứng trong khi chuyển vùng chỉ là một ví dụ về khớp nối chương trình động cơ mà phòng thí nghiệm đã chọn để mổ xẻ. Flavell và đồng tác giả lưu ý rằng có nhiều người khác nữa.
“Một điều khiến chúng tôi phấn khích về nghiên cứu này là giờ đây thật dễ dàng với nền tảng kính hiển vi mới này để đo đồng thời từng chương trình động cơ chính do con vật này tạo ra. Hy vọng, chúng tôi có thể bắt đầu suy nghĩ về toàn bộ các hành vi mà nó tạo ra như một hoàn thành, phối hợp thiết lập, “họ nói.
Nhóm nghiên cứu lưu ý rằng các công nghệ được phát triển gần đây để chụp ảnh canxi toàn bộ não đã mở ra khả năng đo hoạt động của tế bào thần kinh trên não của nhiều loài động vật khác nhau, bao gồm cả giun.
Để hiểu các bộ dữ liệu hình ảnh thần kinh toàn diện này, điều quan trọng là phải xem xét chúng liên quan đến đầu ra của toàn bộ não như thế nào: toàn bộ các tiết mục đầu ra hành vi mà một con vật tạo ra.
Các tác giả khác của bài báo là Yung-Chi Huang và Saba Baskoylu.
Quỹ khoa học quốc gia, Viện sức khỏe quốc gia, Quỹ JPB và Quỹ nghiên cứu não và hành vi đã hỗ trợ nghiên cứu.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Viện Picower tại MIT . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :