Обнаружение запахов на краю: исследователи выяснили, почему насекомые пахнут сильнее с меньшими затратами

Важные новости

Обнаружение запахов на край: Исследователи выяснили, почему насекомые пахнут сильнее, но с меньшими затратами

Нелинейная модель периферических ефаптических взаимодействий. (A) Иллюстрация потока обонятельной информации у плодовых мух. (B) Предварительная обработка периферических сигналов опосредована эфаптическим взаимодействием между совмещенными ORN, при этом частота срабатывания нейронов (xA, xB) нелинейно связана. Параметры модели K, q, n обозначают силу взаимодействия, асимметрию и нелинейность соответственно. (C) Аналитические решения ответа нейрона А (внизу) после смещения трех разных стимулов (вверху). Здесь сила одоранта А (синего) постоянна, а сила одоранта В (оранжевого) увеличивается. Активация нейрона B приводит к подавлению ответа нейрона A. Вставки: реакция скорости стрельбы в логарифмическом масштабе иллюстрирует двухфазное затухание реакции до 0. (D) Валентность (цвет) совмещенных ORN соответствует асимметрии размеров их дендритов (адаптировано из ссылки 14). Обратите внимание, что измерения внешних дендритов сенсиллы ab1 не проводились в работе. 14. Кредит: Труды Национальной академии наук (2024 г.). DOI: 10.1073/pnas.2316799121

Будь то доносящийся аромат нашей любимой еды или опасные пары, исходящие от токсичного химического вещества, человеческое обоняние превратилось в сложную систему, которая обрабатывает запахи через несколько сложных стадий. В мозгу млекопитающих имеются миллиарды нейронов, которые распознают запахи, которым они подвергаются, от приятных до острых.

С другой стороны, такие насекомые, как плодовые мухи, имеют всего лишь 100 000 нейронов, с которыми приходится работать. Тем не менее, их выживание зависит от их способности расшифровывать значение сложных смесей запахов вокруг них, чтобы находить пищу, искать потенциальных партнеров и избегать хищников. Ученые задумались над тем, как насекомые способны чувствовать запахи или извлекать информацию из запахов, обладая гораздо меньшей обонятельной сенсорной системой по сравнению с млекопитающими.

Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего полагают, что у них есть ответ на этот загадочный вопрос. Палка Пури, доктор философии по физике. Студент вместе с постдокторантом Шиуан-Цзе Ву, доцентом Чи-Ин Су и доцентом Джонатаном Альджадеффом (все из кафедры нейробиологии) обнаружили, как плодовые мухи используют простую и эффективную систему для распознавания запахов.

< p>«Наша работа проливает свет на алгоритмы сенсорной обработки, которые насекомые используют для реагирования на сложные обонятельные стимулы», — сказал Пури, первый автор статьи, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences.. «Мы показали, что специализированная организация сенсорных нейронов насекомых является ключом к разгадке — реализация важного этапа обработки, который облегчает вычисления в центральном мозге».

Предыдущие исследования системы обработки запахов у мух были сосредоточены на центральном мозге как главном центре обработки запаховых сигналов. Но новое исследование показывает, что эффективность сенсорных способностей насекомых зависит от стадии «предварительной обработки» на периферии их сенсорной системы, которая подготавливает сигналы запаха для вычислений, которые происходят позже в центральной области мозга.

Мухи чувствуют запахи через свои усики, которые изобилуют сенсорными волосками, которые улавливают элементы окружающей среды. Каждый сенсорный волос обычно содержит два нейрона обонятельных рецепторов, или ORN, которые активируются различными молекулами запаха из окружающей среды. Интересно, что ORN в одних и тех же сенсорных волосах сильно связаны электрическими взаимодействиями.

«Этот сценарий подобен двум проводам с током, расположенным близко друг к другу», — объяснил Пури. «Сигналы, передаваемые по проводам, мешают друг другу посредством электромагнитных взаимодействий».

Однако в случае с обонятельной системой мух такое вмешательство полезно. Исследователи показали, что когда мухи сталкиваются с сигналом запаха, специфическая картина взаимодействия между рецепторами помогает мухам быстро вычислить «суть» значения запаха: «Это хорошо или плохо для меня?» Результат этой предварительной оценки на периферии затем передается в определенную область центрального мозга мухи, где информация о запахах, присутствующих во внешнем мире, преобразуется в поведенческую реакцию.

Исследователи построили математическую модель того, как сигналы запаха обрабатываются посредством электрической связи между ОРН. Затем они проанализировали электрическую схему («коннектом») мозга мух — крупномасштабный набор данных, созданный учеными и инженерами исследовательского кампуса Медицинского института Говарда Хьюза. Это позволило Пури, Альядеффу и их коллегам проследить, как запаховые сигналы с сенсорной периферии интегрируются в центральный мозг.

«Примечательно, что наша работа показывает, что оптимальная смесь запахов — точное соотношение, к которому каждый сенсорный волосок наиболее чувствителен — определяется генетически предопределенной разницей в размерах между связанными обонятельными нейронами», — сказал Альядефф, преподаватель Школы биологии. наук. «Наша работа подчеркивает далеко идущую алгоритмическую роль сенсорной периферии в обработке как врожденных значимых, так и усвоенных запахов в центральном мозге».

Альядефф описывает систему с помощью визуальной аналогии. Подобно специализированной камере, способной обнаруживать определенные типы изображений, муха разработала генетически обусловленный метод различения изображений или, в данном случае, смесей запахов.

«Мы обнаружили, что мозг мухи обладает проводку для считывания изображений с этой особой камеры, чтобы затем инициировать поведение», — сказал он.

Чтобы прийти к этим результатам, исследование было объединено с предыдущими результатами лаборатории Су, которые описали консервативную организацию ORN в обонятельной системе мух в сенсорных волосках. Тот факт, что сигналы, переносимые одними и теми же молекулами запаха, всегда мешают друг другу, у каждой мухи, подсказал исследователям, что эта организация имеет смысл.

«Этот анализ показывает, как нейроны в высших центрах мозга могут воспользоваться преимуществами сбалансированных вычислений на периферии», — сказал Су. «Что действительно выводит эту работу на новый уровень, так это то, насколько эта периферийная предварительная обработка может влиять на высшие функции мозга и операции цепей».

Эта работа может вдохновить исследования роли обработки данных в периферических органах в других смыслах. , таких как зрение или слух, и помогают сформировать основу для разработки компактных устройств обнаружения, способных интерпретировать сложные данные.

«Эти результаты дают представление о фундаментальных принципах сложных сенсорных вычислений в биологии и открывают двери для будущих исследований по использованию этих принципов для разработки мощных инженерных систем», — сказал Пури.

Дополнительная информация: Палка Пури и др., Периферийная предварительная обработка у дрозофилы. облегчает классификацию запахов, Труды Национальной академии наук (2024). DOI: 10.1073/pnas.2316799121

Информация о журнале: Труды Национальной академии наук

Предоставлено Калифорнийским университетом в Сан-Диего

Новости сегодня

Последние новости