Вчені зі США та Франції вивели генномодифікованих медуз Clytia hemisphaerica для зручного вивчення розвитку нервової системи через підсвічування та можливість вилучення окремих нейронів тварини. Завдяки такому підходу вони виявили в медуз структуровану мережу нервових клітин, яка контролює спрямування захопленої щупальцем їжі до рота. Проведені досліди та їхні результати опубліковані в журналі Cell.
Clytia hemisphaerica. B. Weissbourd / J. DeGiorgis / Caltech
Навіщо знати, як працює нервова система медуз?
Медуз деякі вчені називають живими викопними через те, що вони існують уже 500 мільйонів років, і зберегли за цей час відносно просту будову, зокрема нервової системи. Ці тварини мають нервові клітини та їхні скупчення переважно дифузно розсіяні по всьому тілу, однак не мають єдиного центру керування організмом, подібного на наш мозок. Між тим, це не заважає їм здійснювати різноманітні цілеспрямовані та координовані дії, наприклад, шукати та споживати їжу, утікати від хижаків, орієнтуватися та навіть спати. Яким чином їм це вдається, наразі відкрите питання, хоча відповідь могла б допомогти краще зрозуміти еволюцію та базові механізми функціонування складніших нервових систем, зокрема людського мозку. Найчастіше їхні нейрони вивчали за допомогою реєстрації електрофізіологічних реакцій клітин, але це не дає змогу спостерігати за роботою нервової системи медуз системно. Тому вчені з Каліфорнійського технологічного інституту та Університету Сорбонна створили генетично модифікованих медуз, за нейронами яких легше спостерігати під час звичайної поведінки тварин.
Як генетична модифікація допоможе вивчати нервову систему медуз?
Внесення змін у геном медуз призвело до того, що нейрони тварин при їх активації почали флуоресціювати. Так при спостереженні за тваринами під мікроскопом науковці змогли бачити, котрі нейрони і в якій послідовності залучені в роботу при виконанні конкретних дій, наприклад, харчуванні. Надалі, блокуючи окремі типи клітин можна було припустити, які функції вони виконують у нормі.
Автори роботи обрали піддослідними медуз Clytia hemisphaerica. Ці тварини мають маленькі розміри тіла (усього 1-15 міліметрів) і вони прозорі, тому їх можна зручно цілими спостерігати під мікроскопом, а дорослі сантиметрові особини містять близько десяти тисяч нейронів. Геном та типи клітин медузи вже були проаналізовані раніше, тому вченим було простіше зробити відповідні генетичні модифікації медуз. Відтак через серію схрещень вчені вивели окремі лінії тварин, придатні для проведення наступних досліджень.
Що вдалося з'ясувати завдяки трансгенним медузам?
Дослідження вказало на характерну структурну організацію мережі нервових клітин, яка повторює куполоподібну форму тіла медузи. Переважно вона складається із клітин, що мають назву RFa+ нейронів, і поділяється на клиноподібні сегменти із розширеною частиною біля країв, а звуженою — біля рота.
При активації підсвічуються нейрони окремих сегментів. B. Weissbourd / Caltech
Кожне щупальце на краю куполу та фрагмент нервового кільця медузи функціонально пов'язані з одним сусіднім сегментом мережі. Таким чином окремі частини тіла тварини можуть виконувати дії автономно без централізованої нервової системи.
Відділений сегмент медузи із ротом здатний самостійно згортатися та спрямовувати їжу до ротового отвору. Brandon Weissbourd et al. / Cell, 2021
Вчені вирішили з'ясувати, як саме нервова система медуз працюватиме під час харчування, коли тіло виконує несиметричні рухи для перенесення схопленої їжі від щупальця до рота у центрі куполу. Тож вони стали підносити до щупальця медузи артемію і спостерігати за діями та нейронами медузи. Коли щупальце схоплювало їжу, нервові клітини відповідного сегмента мережі починали активуватися у визначеній послідовності. Першими були нейрони скраю, які передавали сигнали до нейронів по центру. Така активація призводила до згортання всередину крайньої частини тіла медузи, підносячи щупальце зі схопленим ракоподібним до рота, який у цей час і сам спрямовувався в бік їжі. Цю ж реакцію спостерігали, коли замість артемії біля медузи внесли хімічний сигнал у вигляді екстракту ракоподібних. Хоча приблизно у 13,7 відсотка випадків вчені спостерігали й спонтанне згортання краю без жодних стимулів.
Медуза згортає край тіла, підносячи щупальце зі здобиччю до рота. B. Weissbourd / Caltech
Детальніше вивчення вказало, що для направлення рота в бік краю, що згортається, необхідна комунікація між краєм та ротом. Якщо сегмент поміж цими структурами буде пошкоджено, рот більше не спрямовуватиметься. Однак видалення самого рота не заважає процесові згортання та направлення їжі до місця, де раніше був рот.
Медуза згортається, доставляючи їжу на місце, де мав би бути рот. Brandon Weissbourd et al. / Cell, 2021
Так само, видалення щупалець не перешкоджає запуску згортання у відповідь на екстракт артемій. Водночас досліди вказали на ключову роль саме у харчуванні RFa+ нейронів. Після їх вилучення медузи більше не демонстрували асиметричного згортання ані у відповідь на екстракт, ані на їжу. Проте здатність до плавання та стискання усього тіла збереглася. Ймовірно, ці процеси контролюються іншими типами клітин.
Таким чином, нервова система медуз, яка вважається дифузною та неструктурованою виявилася неочікувано організованою. Вчені припускають, що координована поведінка у тварин без централізованої нервової системи могла виникнути дуплікацією та модифікацією менших автономних модулів із подальшою їх функціональною пов'язаністю. Але характер цього зв'язку ще необхідно дослідити. На основі своїх результатів автори роблять висновок, що генетично модифіковані медузи Clytia є підхожою моделлю для вивчення розвитку та функціонування нервової системи.