Поведение животных обусловлено скоординированной работой центральной нервной системы. При этом одним из основных вопросов нейронаук является вопрос восприятия головным мозгом внешнего мира в постоянно меняющихся условиях. Японский исследователь Акира Муто (Akira Muto) с коллегами попытался раскрыть этот вопрос, непосредственно наблюдая нейрональную активность верхнего двухолмия данио рерио.

Мальки данного вида начинают охотиться на живую добычу спустя 4 дня после оплодотворения икринки. Захват жертвы представляет собой ряд стереотипных действий, включающих восприятие жертвы, сведение глаз и бросок навстречу. На первом этапе, исследователи пытались визуально пронаблюдать за участками головного мозга, ответственными за восприятие мальком движущейся инфузории-туфельки.

В более ранней работе Акира Муто с коллегами разработали генетически закодированный кальциевый индикатор (GCaMP) зеленого флюоресцирующего белка (GFP), который усиливает свечение при повышении концентрации ионов Ca²⁺ внутри клетки. Данный гиперчувствительный белок использовался для визуализации моторной проводимости спинного мозга при спонтанном мышечном сокращении личинок данио рерио. Однако оказалось, что чувствительность индикатора недостаточна для получения изображения активных участков ЦНС при восприятии подвижного объекта. Поэтому он был усовершенствован (путем замены одной аминокислоты в белке) и назван GCaMP7a.

Используя GAL4-UAS систему, позволяющую создавать линии животных, у которых ген индикатора экспрессируется (реализует свои функции, а не молчит) в определенных тканях организма, а также проведя генетический скрининг полученных линий, ученые определили мальков, у которых флюоресцирующий белок располагается в верхнем двухолмии (Superior colliculus). Данная структура головного мозга, известная у немлекопитающих видов как оптический тектум, отвечает за ориентирование в пространстве. Оптический тектум содержит топологическую карту окружающего пространства. Появление в пространстве раздражителя приводит к возбуждению участка тектума, где проецируется расположение объекта.

В ходе эксперимента использовались трансгенные мальки данио, лишенные пигментных клеток – меланофоров. В емкость с данио рерио помещалась инфузория, которая двигалась около головы малька. Расположение инфузории в пространстве непосредственно влияло на локализацию участков с повышением содержания внутриклеточного кальция и, соответственно, очагов возбуждения в тектуме.

На видеоролике можно видеть, что все проекционные поля связаны с противоположными половинами полей зрения, но с одноимёнными половинами (своей стороны) сетчаток обоих глаз. При нахождении инфузории в правом поле зрения, очаг возбуждения располагается в левом тектуме. Тем не менее, перемещения внутри одного поля зрения проецируются напрямую (не зеркально). Интересно отметить, что неподвижная инфузория не вызывает возникновение очагов возбуждения.

——

Akira Muto, Masamichi Ohkura, Gembu Abe, Junichi Nakai and Koichi Kawakami. Real-Time Visualization of Neuronal Activity during Perception. Current Biology. 23 (4). 2013