ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ФНКЦ РР |
||
Целью проекта является комплексное изучение строения, ультраструктурной организации и пластичности мозга мельчайших насекомых и его ключевых ассоциативных центров.
Miniaturization is not only a common trend in the evolution of animals, but also one of the main trends in the development of biomimetics. The shift from the study of individual neurons to the reconstruction and analysis of large neural networks at the cellular level is one of the most important areas of modern neuroscience. The large size of the brain and the high number of neurons in most model species make this work extremely difficult. Microinsects, by contrast, share a combination of minute size, a small number of neurons, and preserved brain functionality, which makes them convenient models for connectomics and other advanced areas of neuroscience (Makarova et al., 2021). Despite their tiny size and the number of neurons by orders of magnitude smaller than in other animals, microinsects have been shown to be capable of associative learning and long-term memory (Hoedjes et al., 2012; Hoedjes and Smid, 2014; Woude et al., 2018; Polilov et al. ., 2019). A key place among microinsects is occupied by Megaphragma (Hymenoptera: Trichogrammatidae), one of the smallest egg parasitoid wasps, for three species of which anucleate neurons and the unique phenomenon of lysis of the bodies and nuclei of up to 95% of all brain cells at the late stages of pupal development were described (Polilov, 2017). As part of the implementation of our previous project, we also discovered the presence of an almost anucleate nervous system in representatives of another family, Mymaridae. Thus, the phenomenon of lysis of the bodies and nuclei of brain cells turned out to be widespread among the smallest insects. A detailed study of the structure and ultrastructural organization of the brain of these insects is of fundamental importance for understanding the organization, functioning, and evolution of the brain of microinsects. In the course of this project, we plan to perform a comprehensive study of the structure of the brain of the smallest insects, paying special attention to the structure of the associative centers of the Megaphragma brain, as centers for integrating information incoming from the sense organs. With unique three-dimensional electron microscopy data on the entire head of Megaphragma, we will proceed to reconstruct the connectome of the mushroom bodies and the central complex, which will make it possible to model the cellular composition and projections of the sense organs to the key centers of the brain. A separate objective of the project will be a comprehensive study of the plasticity of the brain of microinsects using the example of Trichogramma telengai (Trcihogrammatidae), a miniature egg parasitoid wasp. Experiments will be carried out to study the efficiency of learning and different forms of memory in artificially bred and natural lines of Trichogramma with different body sizes, using a setup developed by us for ethological experiments on microinsects. A large-scale analysis of the effects of body size on the structure of the brain of parasitoid wasps will be carried out and an assessment will be made of changes associated with the effects of brain size on learning efficiency. The results of studying the brain of miniature insects will be of fundamental importance in understanding the structure of an animal brain and optimization of its neural pathways during miniaturization; it may also be useful for applied neurobiological problems in the development of biomorphic neural networks and processors.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 29 июля 2022 г.-30 июня 2023 г. | Влияние миниатюризации на нейроанатомию и эффективность работы мозга микронасекомых |
Результаты этапа: Наши результаты показывают, что феномен лизиса клеточных тел и ядер нейронов, описанный ранее у Megaphragma (Trichogrammatidae), также имеет место и у Camptoptera (Mymaridae). Вследствие лизиса тел клеток и ядер нейронов объем мозга имаго сильно уменьшен, а изученные представители родов Megaphragma и Camptoptera составляют исключение из правила Галлера, поскольку относительные объемы их мозга сравнимы или даже меньше, чем у более крупных представителей родственных групп перепончатокрылых. В то же время миниатюрные насекомые сохраняют сложные формы поведения и локомоции, что свидетельствует о том, что безъядерные нейроны остаются функциональными. Это поднимает важный вопрос о том, насколько распространено это явление у других миниатюрных насекомых и других миниатюрных членистоногих. Таким образом, дальнейшее изучение строения и функционирования мозга у различных миниатюрных членистоногих имеет большое фундаментальное значение для понимания общих принципов работы и эволюции мозга животных. Структура грибовидных тел Megaphragma кажется очень простой, но основной план строения нейропиля сохраняется. Грибовидные тела Megaphragma состоит всего из 56 клеток Кеньона. Дендриты клеток Кеньона ветвятся, образуя глобулярную чашечку грибовидных тел. Аксоны образуют ножку и доли (α, α‘ и β, β’). γ доли у Megaphragma отсутствуют. Из 56 нейронов 39 клеток образуют α и β доли, а 17 клеток α‘и β’ доли. Трехмерные реконструкции нейронов грибовидных тел показали, что из 56 Кеньона всего 2 содержат ядра, остальные безъядерные. Результаты трехмерной реконструкции ассоциативных центров мозга насекомых вместе с изучением ультраструктурной организации демонстрируют крайнюю степень консервативности нервной системы. Сохранение общего строения ассоциативных центров и стереотипии нейронов, наряду с уникальными клеточными реорганизациями. Результаты несут фундаментальный вклад в понимание структуры мозга микронасекомых. Строение безъядерного мозга и принципы организации безъядерных нейронных сетей, как уникальной и совершенной модели миниатюрной комплексной системы открывают множество перспективных направлений в нейроморфологии. В то время как большинство нейронов у имаго лишены ядер, оставшиеся ядросодержащие нейроны сохранились не случайно, а благодаря их положению и функции в коннектоме. Если отдельные нейроны являются детекторами признаков, это приводит к другой размерности нейронного представления в мозге. Следовательно, мозг микронасекомых может выполнять те же вычисления, но в пространстве меньшего размера. Таким образом, разностороннее изучение безъядерных нейронов и строения нейронных цепей с их участием, представляет большой интерес как ответ на вопрос о функциональном значении ядер нейронов мозга имаго. В ходе исследования когнитивных способностей у яйцевых наездников T. telengai получены данные об ассоциативном обучении и памяти. Достоверные различия наблюдаются при сравнении процента времени тестовой группы в целевом секторе в тестировании изначальных предпочтений (Тп) и тестировании сразу после обучения (Т0) (t-test, p < 0.001), в Тп и тесте через 2 часа после обучения (Т2) (t-test, p < 0.001) и Тп и тесте через 6 часов после обучения (Т6) (t-test, p = 0.044). В тестовой группе наблюдаются достоверные различия при сравнении процента времени в целевом секторе по сравнению с остальными секторами в Тп и Т0 (ANOVA, p < 0.001), ТП и Т2 (ANOVA, p < 0.001) и ТП и Т6 (ANOVA, p = 0.027). Время нахождения в целевом секторе достоверно отличалось у тестовой и контрольной групп во всех тестах памяти – Т0 (t-test, p < 0.001), Т2 (t-test, p = 0.002) и Т6 (t-test, p = 0.032). По индексу обучения достоверные различия в тестовой группе наблюдаются при сравнении ТП и Т0 (t-test, p < 0.001), ТП и Т2 (t-test, p = 0.028) и ТП и Т6 (t-test, p = 0.049). Индекс обучения при сравнении тестовой и контрольной групп достоверно различался во всех тестах памяти – Т0 (t-test, p < 0.001), Т2 (t-test, p = 0.019) и Т6 (t-test, p = 0.010). Эксперименты предшественников с T. evanescens (Huigens et al., 2009) показывают, что через час после одной попытки обучения память еще не успевает консолидироваться и остается кратковременной, а через 24 часа наблюдается уже долговременная память (Huigens et al., 2009). Мы наблюдаем сохранение следов памяти у T. telengai сразу после эксперимента, через 2 и через 6 часов после него, поэтому можем предположить наличие как кратковременной, так и консолидированных форм памяти.В предварительных экспериментах по оценке значимости размеров тела для ассоциативного обучения и памяти выяснено, что мелкие особи лучше сохраняют следы памяти. В тестах через 4 ч после обучения у крупных особей не наблюдается достоверных различий при сравнении тестовой и контрольной группы (t-test, p = 0,18), у мелких особей различия в индексе обучения между тестовой и контрольной группой достоверны (t-test, p = 0,04). Через 24 ч после эксперимента ни одна из групп не демонстрирует сохранения следов памяти. | ||
2 | 1 июля 2023 г.-30 июня 2024 г. | Влияние миниатюризации на нейроанатомию и эффективность работы мозга микронасекомых |
Результаты этапа: За отчетный период была выполнена реконструкция и аллометрический анализ ассоциативных центров мозга широкого круга миниатюрных перепончатокрылых. Полученные результаты сравнивались с данными по крупным родственным группам перепончатокрылых и миниатюрным жесткокрылым. Волюметрический анализ мозга и его нейропилярных центров у изученных перепончатокрылых показал, что несмотря на значительное увеличение относительного объема мозга, объем ключевых ассоциативных центров меняется по-разному. Относительный объем грибовидных тел уменьшается при уменьшении размера тела насекомого, а относительный объем центрального тела практически не меняется. В виду того, что центральный комплекс рассматривается как более древняя нейропилярная структура, он демонстрирует крайнюю консервативность строения, в сравнении с более молодыми в эволюционном плане грибовидными телами. У миниатюрных перепончатокрылых, для которых описано явление лизиса ядер нейронов на стадии имаго, относительный объем центрального комплекса, а в некоторых группах и грибовидных тел, выше, чем у мелких и крупных перепончатокрылых. Сравнительный аллометрический анализ ассоциативных центров мозга у миниатюрных перепончатокрылых демонстрирует схожие тенденции что и у микрожесткокрылых. На базе полной серии срезов головы самца Megaphragma viggianii, полученной с помощью двухлучевого ионно-электронного микроскопа (FIB-SEM) с разрешением 8 нм на пиксель по всем xyz измерениям была выполнена реконструкция модульного строения элементов центрального комплекса. Первичный анализ типового состава нейронов выявил наличие тангенциальных, столбчатых и локальных интернейронов, и показал высокую степень сходства с нейронами, описанными для центрального комплекса у Drosophila. Анализ проекций нейронов центрального комплекса показал 8 плотного расположенных колонн, образованных столбчатыми нейронами, связывающими модульные структуры центрального тела. Колонны пересекаются горизонтальными нейропильными слоями, формируемыми тангенциальными нейронами. Аксоны столбчатых нейронов проецируются из протоцеребрального моста в отделы центрального тела по четырем трактам – w, x, y, z. Все идентифицированные на данный момент нейроны центрального комплекса безъядерные. В ходе изучения влияния масштабирования нервной системы на эффективность ее работы, была получена устойчивая разница в размерах тела для трех размерных классов у Trichogramma telengai: мелкие, средние и крупные, где мелкие в среднем в 2 раза мельче, а крупные в 3 раза больше средних. Для средних и крупных особей было показано формирование памяти разных типов, как краткосрочной, так и консолидированной, вплоть до 24 ч после обучения. У особей мелкого размера не удалось выявить кратковременную память, но долгосрочная, по всей видимости, утрачена не полностью. Правило Галлера сохраняется при искусственном отборе: относительный объем мелких особей в среднем выше, чем у крупных и среднеразмерных. При этом нейропилярная константа хорошо работает для особей с средним размером тела (близким к естественному природному размеру), а у особей, искусственно отобранных в сторону уменьшения или увеличения размера тела, соотношение клеточной коры к нейропилю мозга падает до 50%. Полученные нами данные показывают, что масштабирование существенно отражается не только на строении тела паразитоидов, строении мозга и его количественных характеристиках, но и на когнитивных способностях насекомого. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".