Сенсоры холода помогли дрозофилам с полезной ленью

У дрозофил Drosophila melanogaster обнаружили нейроны, которые реагируют на абсолютные значения температуры, а не на ее изменение, сообщается в Current Biology. Сенсоры холода активируются при температуре ниже 25 градусов Цельсия и тормозят работу одной из групп нейронов, регулирующих ритмы сна и бодрствования насекомого. Из-за этого при пониженных температурах дрозофилы дольше спят и менее активны в те часы, когда они обычно бодрствуют. Скорее всего, это позволяет им дождаться более благоприятных условий и при этом сэкономить энергию.

Большинство чувствительных клеток (рецепторных нейронов) реагирует на изменение какого-то параметра — освещенности, температуры, положения тела в пространстве и прочего. Пороги их чувствительности меняются в зависимости от внешних условий. К примеру, если человек залез в ванную с температурой воды +33 градуса Цельсия, сначала он почувствует тепло, а через несколько минут — уже нет, потому что терморецепторы кожи привыкли к этой температуре и перестали активироваться в ответ на нее.

В центральную нервную систему — спинной и головной мозг (в случае беспозвоночных — в различные скопления нервных клеток, ганглии) информация передается обычно не напрямую от рецепторных нейронов, а через несколько звеньев клеток-посредниц, которые перекодируют сигналы, усиливают или ослабляют их, собирают информацию от нескольких групп рецепторов сразу и так далее. Центральные отделы нервной системы вновь обрабатывают эти данные и генерируют команды нейронам, которые управляют работой мышц и внутренних органов. Эти клетки обеспечивают физиологический и поведенческий ответ на условия среды. Такова общая схема, но как конкретно в нервной системе кодируются, к примеру, абсолютная и относительная температура окружающего воздуха и как мозг реагирует на эту информацию, не слишком понятно.

Прояснить нейронные механизмы восприятия температуры и ответов на нее сотрудники американского Северо-Западного университета во главе с Марко Галлио (Marco Gallio) решили на дрозофиле — хорошо изученном насекомом со сравнительно небольшим числом нервных клеток. Температура тела дрозофилы сильно зависит от окружающей среды, как и активность мухи: если резко похолодает, насекомое быстро потеряет способность летать или даже ходить.

Исследователи с помощью методики current clamp, двухфотонной микроскопии и красителей, реагирующих на изменения внутриклеточной концентрации кальция, записывали сигналы, которые генерировали нервные клетки TPN (thermosensory projection neurons) в мозге дрозофил (ганглиях, расположенных в голове насекомого. Они схожи с головным мозгом позвоночных местонахождением, но не механизмом формирования). Эти клетки получают информацию от терморецепторов (TRN, thermosensory receptor neurons) на усиках насекомого. Каким нейронам передают информацию TPN, определяли с помощью иммунофлуоресценции и электрофизиологии.

Параллельно со сбором электрофизиологических данных нейробиологи записывали на видео поведение мух и отмечали, когда те спят, а когда наиболее активны. Сном считали любой период дольше 5 минут, пока дрозофила не двигалась. Температуру в помещении, где находились мухи, во время эксперимента периодически повышали или понижали на 2–5 градусов, но в пределах 17–30 градусов Цельсия. Привычной для насекомых была температура +25, при которой их растили.

Оказалось, что клетки TPN одного из подтипов, TPN-II, активируются только тогда, когда температура вокруг них становится ниже +25 по Цельсию, и чем ниже этого значения, тем сильнее. Информацию они получают от трех типов терморецепторов в усиках мухи. TPN-II не привыкают к холоду, то есть их активность не возвращается к базовым значениям после нескольких минут пребывания насекомого при пониженной температуре. TPN-II посылают тормозные сигналы группе дорсальных (расположенных со спинной стороны головы) клеток DN1a, которые участвуют в регуляции циркадных ритмов — изменении активности животного в зависимости от времени суток.

Когда температура опускается ниже +25, активность DN1a падает (их ингибируют TPN-II), как и активность мухи в целом. Дрозофилы, которые находятся в холодных для них помещениях, дольше спали ночью (хотя световой режим в экспериментах не меняли) и совершали меньше движений в периоды своей максимальной активности — ранним утром и ранним вечером. Дневной сон дрозофил, который в норме приходится на самые жаркие часы, при холодовой активации TPN-II (и снижении активности DN1a) сдвигалтся ближе к утру. Вероятно, это связано с тем, что в самый холодный период года световой день наиболее короток.

Таким образом, у дрозофилы нашли и описали цепь нейронных связей, которая обеспечивает реакцию организма насекомого на абсолютные значения температуры, которая ниже оптимальной для данного вида. В нее входят терморецепторы на антеннах, а также клетки TPN и DN1a в головном мозге. Вместе они позволяют животному экономить энергию в холодную погоду за счет более продолжительного сна, регулируя его реакцию на изменение освещенности.

Дрозофила — один из наиболее популярных модельных объектов в нейробиологии среди беспозвоночных. Уже составлена полная карта связей нейронов ее головного мозга и получено полное трехмерное изображение этого органа. Нейронные и генетические механизмы различных форм поведения этих мух тоже известны. Например, недавно выяснили, что пережить отвержение самкой самцу дрозофилы помогает нахождение в темноте. В этих условиях неактивен фактор транскрипции CrebB, поэтому запоминание не происходит.

Светлана Ястребова