Группа нейробиологов из Брауновского университета под руководством Кевина Нуньеса и Карлы Каун опубликовали в журнале Current Biology исследование о том, как чувство голода меняет работу памяти о спиртном. Учёные выяснили, что при нехватке пищи мозг подключает параллельный нервный контур во главе с одиночным нейроном, который ускоряет поиск алкоголя.
Загадка норадреналина и простота мушиного мозга
Голод усиливает тягу к алкоголю у самых разных живых существ, от грызунов и обезьян до человека. В основе этой связи лежит норадреналин — сигнальное вещество нервной системы, которое одновременно управляет пищевым поведением, уровнем бодрствования и реакцией на вознаграждение. При дефиците калорий уровень норадреналина меняется, из-за чего внешние сигналы об алкоголе вызывают более сильный отклик и повышают риск срыва.
Изучать этот механизм на млекопитающих крайне трудно. Норадренергические клетки в мозге млекопитающих образуют густую сеть с миллионами переплетённых ветвей, поэтому изолировать влияние отдельных клеток пока невозможно. Чтобы обойти это препятствие, авторы работы обратились к дрозофилам (Drosophila melanogaster). У этих плодовых мушек роль норадреналина выполняет родственное вещество — октопамин. Мозг насекомого устроен компактнее, а благодаря проекту коннектома FlyWire учёные располагают полной картой синаптических связей между всеми его нейронами.
Одиночный нейрон ускоряет поиск на три часа
В эксперименте исследователи выработали у самцов мушек условный рефлекс. Насекомым в специальных пробирках подавали два разных запаха: один без добавок, а второй — вместе с парами чистого спирта в усыпляющей концентрации 66%. Затем мушек помещали в вертикальный лабиринт, где они могли выбрать рукав с контрольным запахом или с тем, который сопровождал опьянение. Часть мушек после обучения сытно кормили дрожжевой пастой, а вторую группу оставляли голодать на влажном агаре без питательных веществ.
В обычных условиях память на алкоголь у сытых мушек развивается постепенно. Первые часы после обучения насекомые избегают связанного с этанолом запаха, и лишь в течение суток их поведение меняется на противоположное — поиск алкогольного аромата. У голодных мушек этот переход произошёл на три часа быстрее: уже через три часа после обучения они уверенно выбирали рукав с запахом этанола.
Авторы проверили серию генетических линий и выявили конкретную клетку, отвечающую за этот сдвиг. Им оказался одиночный асимметричный восходящий нейрон под названием VUMa3(mx). По данным электронной микроскопии, почти 90% синапсов этого нейрона выделяют именно октопамин.
Оптическая регистрация активности клеток с помощью флуоресцентного кальциевого датчика показала, что базовый уровень возбуждения в отростках VUMa3 начинает устойчиво расти уже через три часа голодания и достигает максимума к концу суток. У мутантных мушек без октопамина этот всплеск активности отсутствовал, и голод никак не ускорял их тягу к алкоголю. Когда исследователи искусственно активировали VUMa3 у сытых насекомых с помощью термочувствительного белка, сытые мушки начали искать спиртное на три часа раньше, в точности повторив поведение голодных особей.
Замкнутый контур самовозбуждения
Исследователи выяснили, каким образом одиночный нейрон удерживает высокое возбуждение на протяжении многих часов голодания. На поверхности VUMa3 обнаружился рецептор Oct-TyrR. Этот белок работает как молекулярный переключатель: связывание с октопамином стимулирует нейрон, а контакт с другим веществом, тирамином, тормозит его.
С помощью генного редактирования CRISPR/Cas9 биологи подтвердили присутствие рецептора прямо на теле и отростках клетки. Когда выработку рецептора точечно заблокировали внутри VUMa3 методом РНК-интерференции, голодные мушки перестали предпочитать запах алкоголя. При этом на поведение сытых насекомых отключение рецептора не повлияло.
Полученные данные показали механизм положительной обратной связи. В ответ на голод нейрон выделяет октопамин и сам же связывает его собственными рецепторами. Такой замкнутый круг поддерживает клетку в состоянии постоянной готовности, пока организм не получит пищу.
Вход в главный центр памяти
Отключение нейрона VUMa3 во время обучения не помешало мушкам запомнить связь между запахом и алкоголем. Нарушение возникало только тогда, когда работу клетки глушили во время тестирования в лабиринте. Клетка отвечает именно за воспроизведение уже сформированного навыка: она извлекает сохранённый след памяти в момент выбора.
При регистрации кальциевых сигналов под микроскопом нейрон VUMa3 у сытых мушек оставался спокойным при подаче любого запаха. У голодных мушек он ярко вспыхивал в ответ на запах, который ранее сопровождал действие алкоголя, и игнорировал посторонний аромат.
Трассировка нервных путей показала, куда именно нейрон передаёт сигнал. Его аксоны направляются в так называемую гамма-лопасть грибовидного тела — парного образования, которое служит насекомым главным центром обонятельной памяти. В сытом состоянии этот центр обрабатывает воспоминания об алкоголе самостоятельно через собственную группу выходных нейронов. При наступлении голода клетка VUMa3 преодолевает торможение и подключается к этому узлу как параллельный скоростной вход, заставляя организм немедленно двигаться к источнику спиртного.
Ограничения работы и следующие шаги
Авторы подчёркивают границы применимости полученных результатов. Все поведенческие тесты проводились исключительно на самцах дрозофил, поэтому влияние пола на открытый контур ещё предстоит проверить. Кроме того, мушки вдыхали концентрированные пары спирта, что отличается от добровольного употребления алкогольных напитков млекопитающими.
Нервная система насекомых и человека разделена сотнями миллионов лет эволюции. Прямой перенос мушиного нейронного контура на клинику человеческой зависимости невозможен без дальнейшей проверки на позвоночных животных. Биологам также пока неизвестно, какие именно гормоны сытости подавляют активность нейрона VUMa3 у сытых мушек. Авторы планируют выяснить эти сигнальные молекулы и проверить, управляет ли найденный параллельный контур другими типами долговременной памяти.
