Исследователи из Института теоретической биологии Университета Гумбольдта решили давнюю математическую загадку о появлении моделей электрической активности во время полета насекомых. Вместе с коллегами из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце они сообщают о новой функции электрических синапсов в управлении полетом плодовых мушек в текущем выпуске журнала Nature.

Чтобы держать свое маленькое тельце в воздухе, дрозофилы должны очень быстро взмахивать крыльями. Они используют прием, широко распространенный в животном мире: их нервные клетки не успевают за взмахами крыльев. Чтобы управлять летательными мышцами, каждая нервная клетка вместо этого генерирует электрический импульс, также называемый потенциалом действия, примерно через каждые двадцатые взмахи крыльев. Однако этот потенциал действия точно настроен на взаимодействие с другими нервными клетками. В небольшой цепи, состоящей из нескольких нервных клеток, генерируются особые паттерны активности: каждая клетка регулярно запускает импульсы, но не одновременно с другими клетками, а скорее асинхронно через фиксированные промежутки времени относительно друг друга.

У плодовых мушек такие модели активности известны с 1970-х годов. До сих пор их появление связывали с соединением нервных клеток через химические синапсы. Предполагалось, что тормозные вещества-мессенджеры между нервными клетками высвобождаются в ответ на потенциалы действия, взаимно препятствуя одновременной генерации импульсов клетками.

Однако с помощью математического анализа группа профессора Сюзанны Шрайбер смогла показать, что такая импульсно-распределенная активность может возникать и тогда, когда нервные клетки связаны не химически, а электрически, то есть без использования веществ-посредников. В этом случае клетки должны использовать особый тип потенциала действия, который сопровождается высокой чувствительностью к входным сигналам от других, особенно когда клетка только что была активной. Этот тип чувствительности не типичен для «нормальных» потенциалов действия, и поэтому в последнем случае не следует ожидать импульсно-распределенной активности, если клеточная связь чисто электрическая.

Экспериментальные доказательства типа генерации импульсов, предсказанного берлинскими исследователями, были предоставлены исследовательской группой профессора Карстена Дюха в Майнце. Ученые усилили или ослабили определенные ионные токи в клетках плодовой мушки, чтобы изменить тип генерируемых потенциалов действия. Им удалось показать, что эти манипуляции влияли на паттерны активности в цепи полета точно так, как предсказывала математическая модель. Кроме того, они доказали, что связи между клетками действительно электрические и что нарушение этой связи оказывает ожидаемое влияние на модели активности и взмахи крыльев животных.

Находка групп в Берлине и Майнце особенно удивительна, поскольку до сих пор предполагалось, что электрическая связь способствует одновременной активности нервных клеток. Паттерны активности, возникающие из электрических синапсов, раскрывают новые принципы обработки информации в нервной системе. Тот же механизм может быть использован не только в тысячах других видов насекомых, но и в человеческом мозгу, где функция электрической связи все еще далека от понимания.

https://phys.org/news/2023-05-theoretical-biologists-uncover-mechanism-flight.html