Нейроны и серотонин: как рыба управляет плаванием с помощью мозга

Иногда мозг работает как диджей: ловит нужный ритм и точно знает, когда подбросить бит. У рыбок данио серотонин — тот самый ритм, который запускается не во время движения, а сразу после, чтобы скорректировать следующий заход.

Нейроны у рыбы решают, когда выпускать серотонин, опираясь на движение и зрение

Источник: Unsplash

Работа опубликована в журнале Neuron. В новом исследовании ученые из лаборатории Филипа Аренса в Janelia попытались понять, как именно нейроны решают, когда и сколько серотонина — одного из главных нейромодуляторов — нужно высвободить. Это важно для адаптивного поведения и может пролить свет на механизмы расстройств настроения, таких как депрессия.

Серотонин регулирует активность больших групп нейронов на относительно медленных временных шкалах. В отличие от нейротрансмиттеров, которые действуют мгновенно, нейромодуляторы работают мягче, но глубже, влияя на поведение, настроение и обучение.

Моделью для экспериментов послужили личинки рыб данио-рерио. Эти крошечные животные перемещаются в воде рывками: короткими всплесками активности, за которыми следует скольжение. Исследователи поместили рыб в виртуальную реальность, где отслеживали работу их мозга с помощью датчиков напряжения и визуализации активности нейромодуляторов.

Визуализация напряжения в серотонинергическом шве во время обучения двигательной активности

Источник: Neuron

Оказалось, что серотонинергические нейроны в так называемом дорсальном ядре шва активируются в строго определенный момент — после окончания активного плавания. Пока рыба плывет, нейроны подавлены. Но как только движение останавливается, подавление снимается. Возникает эффект отскока, и в это окно — доли секунды — визуальная информация начинает поступать в шов.

Вспомогательное видео для обработки данных. Вверху слева — исходная съемка после коррекции движения. В центре — версия после удаления шума. Справа — видео, собранное из выделенных клеток. Ниже слева — усредненное изображение, справа от него — сами сегменты клеток. Еще ниже — активность оранжевой клетки во времени: сверху — по необработанному видео, снизу — по восстановленному. В самом низу — длинный фрагмент активности той же клетки

Если рыба двигается быстро, нейроны получают сильный зрительный сигнал и выделяют больше серотонина. Это позволяет корректировать усилия в будущем — по сути, рыба «учится» оценивать, насколько ее действия эффективны. Такой механизм, где результат действия связывается с его причиной, лежит в основе адаптивного поведения и даже используется в алгоритмах машинного обучения.

Авторы считают, что эти нейронные «ворота» могут быть универсальным принципом, по которому работают и другие системы нейромодуляции в мозге, включая человеческий. Это открывает новые направления для понимания гибкости поведения и возможностей лечения неврологических нарушений.

Понимание, как мозг решает, когда и сколько серотонина выделять, помогает глубже взглянуть на то, как мы адаптируемся к миру. Ранее Наука Mail рассказала, как гиппокамп участвует в формировании зрительных ожиданий — это еще один пример того, как мозг не просто реагирует, а строит предсказания, чтобы действовать точнее.