Американские ученые выяснили, как нейронная сеть в мозге плодовой мушки быстро переключается между отслеживанием текущего направления и его временным сохранением. Запах пищи запускает взаимодействие двух групп клеток, благодаря которому насекомое продолжает двигаться по выбранному курсу даже после исчезновения запаха. Как устроены нейронные «ворота», почему памяти нужны одновременно устойчивость и гибкость и что эксперименты на мухах могут рассказать о работе мозга — в материале «Известий».

Код подтверждения нужен лишь до тех пор, пока его не введут в нужное поле. Начало предложения приходится удерживать, чтобы понять его конец. Направление движения бывает необходимо сохранить, когда ориентир на короткое время исчезает. Во всех этих случаях информация остается доступной для текущей задачи.

Такую функцию выполняет рабочая память. Национальный институт психического здоровья США (NIMH) определяет ее как активное удержание и гибкое обновление информации, относящейся к цели или задаче. Она имеет ограниченную вместимость и должна противостоять помехам.

В мозге человека десятки миллиардов нейронов, а у плодовой мушки — менее 200 тыс. Однако у этих нервных систем есть общие принципы организации и передачи сигналов между клетками. Это делает дрозофилу удобной моделью для изучения отдельных механизмов работы мозга.

Дополнительное преимущество — подробная карта связей в мозге взрослой мухи. Она называется коннектомом и показывает, какие нейроны соединены друг с другом. Такая карта помогает находить цепи, которые потенциально участвуют в определенном поведении.

Но анатомической схемы недостаточно. Связь между двумя клетками не означает, что они постоянно взаимодействуют одинаковым образом. Их работа может меняться в зависимости от внешних сигналов и состояния животного.

Поэтому исследователи сопоставляли устройство нейронной сети с активностью клеток и поведением мух. Их интересовало, как конкретная цепь переходит от восприятия текущей информации к ее сохранению.

В эксперименте мухам подавали запах яблочного уксуса. Насекомые начинали двигаться в направлении запаха и продолжали движение еще несколько секунд после его исчезновения. Такое поведение давало возможность проследить, как мозг удерживает навигационную цель при кратковременной потере внешнего сигнала. Запах уже не поступает, но выбранное направление еще сохраняется и влияет на движение.

Для наблюдения за активностью мозга использовали установку, в которой муха могла идти по небольшому шару, поддерживаемому потоком воздуха. Его вращение позволяло отслеживать движения насекомого. В установке также контролировали подачу запаха и направление воздушного потока.

Ученые изучали активность нервных клеток, регистрировали их электрические сигналы и использовали компьютерное моделирование. Сочетание этих методов помогло проверить, какие взаимодействия способны объяснить наблюдаемое поведение.

«Наше исследование показывает, как нейронная цепь формирует кратковременную память в ответ на запах, позволяя мухе запомнить направление и двигаться к его источнику», — заявила старший автор работы, доцент кафедры нейронаук медицинской школы Гроссмана Нью-Йоркского университета Кэтрин Нейгел.

В центре исследования оказались две группы нейронов — PFG и hΔK. Во время направленного движения они демонстрировали сходные устойчивые паттерны активности, что указывало на совместную работу.

Эти клетки образуют сеть с обратными связями: сигналы могут проходить между группами нейронов и поддерживать активность внутри цепи. Такая организация позволяет информации некоторое время сохраняться после исчезновения внешнего стимула.

Результаты дают конкретный пример того, как сеть с обратными связями может поддерживать временный сигнал и быстро переключаться между состояниями. Компьютерная модель воспроизводила ключевые особенности активности изученных нейронов, а наблюдения за клетками согласовывались с предложенным механизмом.

Однако исследование посвящено определенной цепи в мозге дрозофилы и конкретному поведению — навигации, запускаемой запахом. Оно не устанавливает, что все виды кратковременной памяти работают по одной схеме.

Временное удержание направления у мухи также нельзя напрямую приравнять к запоминанию числового кода или пониманию предложения человеком. Эти задачи относятся к разным условиям и нервным системам. Их объединяет более общий вопрос: как сохранить актуальную информацию, не потеряв способность быстро ее обновить.

Авторов интересует возможность существования сходного принципа в других нейронных сетях. Но для такого вывода необходимо отдельно исследовать их устройство и работу. Нынешний результат прежде всего уточняет механизм в изученной цепи.