Крошечный червь с вычислительным центром в голове

В мозге круглого червя Caenorhabditis elegans прячется самый настоящий вычислительный центр. Группа нейрофизиологов из Орегонского университета под руководством Шона Локери (Shawn Lockery) сумела разобрать его устройство до мельчайших деталей — и обнаружила, что пара крошечных нейронов работает как биологический калькулятор, управляя каждым шагом червя.

Объект исследований — два парных рецептора, которые носят названия ASEL (левый) и ASER (правый). Учёные давно присматривались к ним, пытаясь понять не только то, как формируется асимметрия нейронов, но и как именно они обрабатывают сигналы из внешнего мира. И вот теперь, с помощью современных методов, удалось увидеть эту работу вживую.

В организм червей с помощью генной инженерии ввели особые белки, которые меняют цвет при активации нервных клеток. Это позволило буквально подсветить процессы, происходящие в нейронах, когда животное сталкивается с разными запахами и веществами. Оказалось, что левый и правый рецепторы настроены на противоположные стимулы — и реагируют на изменение концентрации, а не на её абсолютный уровень.

Соль, токсины и чёткий алгоритм движения

Механизм, который вскрыли исследователи, изящен в своей простоте. Когда вокруг растёт концентрация соли, активируется левый нейрон ASEL: поток ионов натрия и хлора устремляется к центру ASE, и червь ползёт вперёд. Если же соли становится меньше, в дело вступает правый нейрон ASER — и животное разворачивается, меняя направление.

Похожая логика работает и с токсинами. При контакте с неприятными веществами — например, капсаицином — поток ионов, наоборот, слабеет, и это тоже влияет на выбор маршрута. Чем резче меняется концентрация, тем быстрее червь реагирует: ускоряется и само движение, и смена курса.

Фактически учёные описали готовый биоалгоритм с разбивкой по функциям: какие клетки участвуют в обработке сигнала, как среда преобразуется в нервный импульс и как этот импульс превращается в конкретное поведение. Вся цепочка — от молекулы до движения — оказалась прослежена в деталях.

Зачем это нужно человеку

Авторы работы не скрывают, что их цель выходит далеко за пределы мира крошечных нематод. Они рассчитывают, что понимание вычислительных центров в мозге червя поможет разобраться в том, как функционируют аналогичные области у человека. А это, в свою очередь, может открыть путь к помощи людям с нарушениями вкуса и обоняния — только в США таких пациентов насчитывается около 200 тысяч.

Пока же открытие остаётся ярким напоминанием о том, насколько сложными могут быть даже самые примитивные на вид организмы. Крошечный червь длиной около миллиметра носит в себе нейронную схему, которая по точности обработки сенсорной информации не уступает иным инженерным решениям. И кто знает, какие ещё вычислительные тайны скрываются в нервной системе тех, кого мы привыкли считать слишком простыми для таких изысканий.