Локальные детекторы движения плодовых мушек улавливают сложные закономерности, генерируемые их собственным движением.
Простые действия, такие как ходьба или вождение автомобиля, требуют от человеческого глаза обработки сложных визуальных сигналов, чтобы обеспечить правильную навигацию. Глаз мухи должен делать еще больше, чтобы направлять соответствующие поведенческие реакции во время полета. Плодовая мушка Drosophila melanogaster полагается на быстрое обнаружение и обработку информации от глаз до нервной системы, чтобы приспособить свое поведение к постоянно меняющейся среде. Ученые из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU) получили новое представление о том, как глаз дрозофилы обрабатывает паттерны движения, генерируемые самодвижением в пространстве. Они обнаружили, что селективные по направлению клетки могут различать шесть типов глобальных паттернов движения. «Мы думали, что зрительная система дрозофилы сначала обнаруживает четыре основных направления движения, т. е. вперед, назад, вверх и вниз», — сказал профессор Марион Силис, руководитель исследования. Теперь обнаружили гораздо более точное соответствие реальному поведению дрозофилы».
Сложный глаз плодовой мушки состоит из 800 зрительных единиц, организованных в виде шестиугольника. Каждый отдельный глаз, в свою очередь, оснащен несколькими фоторецепторами, которые улавливают световые раздражители из окружающей среды. Отсюда информация затем обрабатывается в зрительной системе и передается в центральную нервную систему.
На пути от фоторецепторов к мозгу различные нейроны участвуют в обработке изображения и информации о движении. Среди них клетки T4 и T5, которые действуют как локальные детекторы движения. Клетки T4/T5 являются первыми клетками в глазу, реагирующими на движение, расположенные всего в нескольких слоях клеток позади фоторецепторов. Они реагируют на движущиеся яркие контрасты в случае клеток Т4 и на движущиеся темные контрасты в случае клеток Т5. Если у плодовых мушек нет этих клеток, они не могут реагировать на стимулы движения из окружающей среды и становятся «слепыми к движению». Ранее предполагалось, что существует четыре подтипа нейронов T4/T5 и что каждая из 800 отдельных единиц представляет одно из четырех направлений четырьмя клетками T4 и четырьмя клетками T5, соответствующими локальному движению из определенных областей в зрительном пространстве.
«Процесс сложен, и было неясно, как мухи смогли обрабатывать сложную информацию по перемещению в трёх осях из этих четырех направлений движения», — сказала доктор Мириам Хеннинг из группы профессора Марион Силиес. Исследователи использовали двухфотонную визуализацию для мониторинга активности более чем 3500 из этих локальных детекторов движения T4 и T5. И в процессе наблюдения выяснилось, что в обработке информации участвуют не четыре, а шесть подтипов, которые способствуют правильному восприятию и передаче движения мух в пространстве.
Сложный глаз плодовой мушки состоит из 800 зрительных единиц, организованных в виде шестиугольника. Каждый отдельный глаз, в свою очередь, оснащен несколькими фоторецепторами, которые улавливают световые раздражители из окружающей среды. Отсюда информация затем обрабатывается в зрительной системе и передается в центральную нервную систему.
На пути от фоторецепторов к мозгу различные нейроны участвуют в обработке изображения и информации о движении. Среди них клетки T4 и T5, которые действуют как локальные детекторы движения. Клетки T4/T5 являются первыми клетками в глазу, реагирующими на движение, расположенные всего в нескольких слоях клеток позади фоторецепторов. Они реагируют на движущиеся яркие контрасты в случае клеток Т4 и на движущиеся темные контрасты в случае клеток Т5. Если у плодовых мушек нет этих клеток, они не могут реагировать на стимулы движения из окружающей среды и становятся «слепыми к движению». Ранее предполагалось, что существует четыре подтипа нейронов T4/T5 и что каждая из 800 отдельных единиц представляет одно из четырех направлений четырьмя клетками T4 и четырьмя клетками T5, соответствующими локальному движению из определенных областей в зрительном пространстве.
«Процесс сложен, и было неясно, как мухи смогли обрабатывать сложную информацию по перемещению в трёх осях из этих четырех направлений движения», — сказала доктор Мириам Хеннинг из группы профессора Марион Силиес. Исследователи использовали двухфотонную визуализацию для мониторинга активности более чем 3500 из этих локальных детекторов движения T4 и T5. И в процессе наблюдения выяснилось, что в обработке информации участвуют не четыре, а шесть подтипов, которые способствуют правильному восприятию и передаче движения мух в пространстве.
«Отдельные подтипы не кодируют однородные направления движения, как мы думали ранее. Вместо этого каждый подтип состоит из группы нейронов, которые выбирают направление, которые непосредственно представляют собой сложный глобальный паттерн движения, состоящий из множества различных локальных сигналов движения», — объяснила доктор Мириам Хеннинг, автор исследования. «Это намного больше соответствует реальному поведенческому образцу мухи, тому, как она на самом деле движется в пространстве. При этом все подтипы работают одновременно, но активируются по-разному».
Предыдущая работа на мышах продемонстрировала, что избирательные по направлению нейроны в мышином глазу — в данном случае ганглиозные клетки сетчатки — также представляют самодвижение животного в виде сложного паттерна. Интересно, однако, что у мышей существует только четыре подтипа, тогда как у мух их шесть. Таким образом, вычисления глобального движения такого рода могли возникать независимо дважды в ходе эволюции. Авторы исследования предполагают, что различное количество подтипов может соответствовать разным паттернам самодвижения: летающие животные должны охватывать трехмерное пространство, а "передвигающиеся пешком" животные, в основном перемещаются в двух измерениях.
Нейронная обработка информации о движении у Drosophila melanogaster изучается около 60 лет, и с 2013 года известно, что клетки Т4 и Т5 функционируют как локальные детекторы движения в глазу плодовой мушки. «Новые результаты — это сдвиг парадигмы в нашей области нейробиологии зрения», — подчеркнула доктор Марион Силис, говоря о своих последних открытиях. «Кажется, имеет больше смысла фиксировать сложные паттерны движения напрямую, а не фиксировать четыре одинаковых направления, а затем преобразовывать их в глобальные паттерны, связанные с собственным движением при последующей визуальной обработке. Кроме того, шесть подтипов клеток T4/T5 лучше соответствуют шестиугольному строению глаза мухи».
Однако многие вопросы остаются без ответа. Исследователи до сих пор не знают, например, как подтипы, зависящие от направления, сопоставляются с разным поведением видов с разным поведением бега или полета и как они сами контролируют это поведение. «Мы хотели бы изучить это в будущем», — сказал Силиес.
Источник: https://www.nature.com/articles/s41467-022-29293-6