Изображение: Rockefeller University
Поместите 50 новорожденных червей в 50 отдельных контейнеров, и все они начнут искать пищу примерно в одно и то же время. Как и члены других видов, микроскопические круглые черви вида Caenorhabditis elegans имеют тенденцию действовать как и другие представители своего возраста.
Оказывается, что врожденная система, которая контролирует возрастное поведение у развивающегося червя, не является полностью одинаковой у всех. Несмотря на то, что все они разделяют одинаковые гены и растут в подобных условиях, некоторые отдельные черви неизбежно маршируют в ритме собственного барабана.
Новое исследование из Университета Рокфеллера освещает биологию, которая изучает поведение на разных этапах жизни, а также предполагает, как изменения в конкретных нейромодуляторах в развивающейся нервной системе могут приводить к случайным изменениям. Работа, возглавляемая Кори Баргманом, стала возможной благодаря новой инженерной системе, которая позволяет ученым записывать поведенческую информацию для отдельных червей на протяжении всего жизненного цикла. Он опубликован в издании Cell.
«На каждом этапе жизни существуют шаблоны, которые отличаются от шаблонов на других этапах, и с созданной нами системой мы можем видеть, что на удивление такие шаблоны сложны и прочны», — говорит Баргманн. «Мы также можем наблюдать нечто сложное, как например индивидуальность, и она начинает разрушать биологию, стоящую за ней».
Химическое соответствие
Наше понимание того, как гены управляют поведением, в значительной степени основано на экспериментах, которые включают изменение нормального состояния субъекта с помощью внешних раздражителей за короткий промежуток времени, например, предоставление мыши сыра в качестве награды за завершение прохождения лабиринта. Мы знаем меньше о том, как гены влияют на поведение, когда животные заняты своими обычными делами.
Шей Стерн, докторант в лаборатории Баргманна, разработал систему для изучения спонтанного, внутреннего поведения у червей на протяжении всего их развития, что составляет около 50 часов. Ученые сосредоточились на поведении в поиске корма — в движениях червей в поисках пищи — и нашли невероятно похожие модели деятельности между ними.
«Несмотря на то, что черви были разделены между собой и не получали внешних сигналов, они активно искали продукты питания при своем развитии в то же время, что и другие черви», — говорит Стерн. «И мы увидели очень точные различия в поведении на каждом этапе развития».
Изображение: Rockefeller University
Создавая генетические мутации у некоторых червей, исследователи также смогли идентифицировать специфические нейромодуляторы или химические мессенджеры в мозгу, которые обычно определяют поведение животных по времени. Например, мутация, которая нарушила количество дофамина, повлияла на скорость перемещения червей во время позднего развития. Другие мутации влияли на модели поведения на каждом этапе развития, предполагая, что разные нейромодуляторы влияют на поведение в разные сроки.
Рожден таким
В то время как большинство червей соответствовали одинаковым поведенческим моделям, ряд отдельных червей выделялся из-за их атипичного поведения при кормлении. Изменчивость между индивидуумами обычно объясняется генетическими различиями или воздействием разной окружающей среды, но исследователи провели исследование с учетом этих различий, используя генетически идентичных червей в одинаковых средах.
Одним из объяснений таких индивидуальных изменений может быть небольшое различие в том, как развивается нервная система. Существует случайность в том, как некоторые нейроны соединяются друг с другом, и это не контролируется генетикой, отмечает Баргманн.
Баргман и его коллеги показали, что нейромодуляторы также могут способствовать изменчивости поведения. Исследователи обнаружили, что удаление серотонина из популяции червей резко сократило количество червей, которые отображали уникальные модели движения или индивидуальность. Действительно, без серотонина все черви проявляли одно и то же поведение при кормлении в одно и то же время — вывод, который показывает, насколько важна индивидуальность для выживания с точки зрения эволюции вида.
«С эволюционной точки зрения — кто-то всегда должен сделать что-то отличное от других, чтобы выжить, — говорит Баргман.