Gatunek motyla tropikalnego o niezwykle rozbudowanych strukturach mózgu wykazuje fascynujący mozaikowy wzór ekspansji neuronowej powiązanej z innowacją poznawczą.
Badanie, opublikowane dzisiaj w czasopiśmie Current Biology, bada neuronalne podstawy innowacji behawioralnych u motyli Heliconius, jedynego rodzaju, o którym wiadomo, że żywią się zarówno nektarem, jak i pyłkiem. W ramach tego zachowania wykazują niezwykłą zdolność uczenia się i zapamiętywania informacji przestrzennych na temat źródeł pożywienia – umiejętności wcześniej związanych z rozwojem struktury mózgu zwanej ciałami grzybów, odpowiedzialnej za uczenie się i pamięć.
Główny autor, dr Max Farnworth z Wydziału Nauk Biologicznych Uniwersytetu w Bristolu, wyjaśnił: „Istnieje ogromne zainteresowanie tym, w jaki sposób większe mózgi mogą wspierać lepsze funkcje poznawcze, precyzję zachowania i elastyczność. Jednak podczas ekspansji mózgu często trudno jest rozwikłać skutki ogólnego wzrostu rozmiar ze zmian w strukturze wewnętrznej.”
Aby odpowiedzieć na to pytanie, autorzy badania zagłębili się w zmiany zachodzące w obwodach nerwowych wspierających uczenie się i pamięć u motyli Heliconius. Obwody neuronowe są dość podobne do obwodów elektrycznych, ponieważ każda komórka ma określone cele, z którymi się łączy, i tworzy sieć za pomocą swoich połączeń. Sieć ta następnie wywołuje określone funkcje poprzez konstruowanie obwodów.
Dzięki szczegółowej analizie mózgu motyla zespół odkrył, że pewne grupy komórek, zwane komórkami Kenyona, rozmnażały się w różnym tempie. Ta odmiana doprowadziła do wzorca zwanego ewolucją mózgu mozaiki, w którym niektóre części mózgu rozszerzają się, podczas gdy inne pozostają niezmienione, analogicznie do płytek mozaikowych, które bardzo się od siebie różnią.
Dr Farnworth wyjaśnił: „Przewidujemy, że ponieważ widzimy te mozaikowe wzorce zmian neuronalnych, będą one odnosić się do konkretnych zmian w wynikach behawioralnych – zgodnie z zakresem eksperymentów w zakresie uczenia się, które pokazują, że Heliconius radzi sobie lepiej od swoich najbliższych krewnych tylko w bardzo określonych kontekstach takie jak długoterminowa pamięć wzrokowa i uczenie się wzorców”.
Aby odżywiać się pyłkiem, motyle Heliconius muszą mieć wydajne drogi żerowania, ponieważ rośliny pyłkowe są dość rzadkie.
Kierownik projektu i współautor, dr Stephen Montgomery, powiedział: „Zamiast wyznaczać przypadkową trasę żerowania, motyle te najwyraźniej wybierają stałe trasy między zasobami roślinnymi – podobnie jak trasę autobusu. Procesy planowania i zapamiętywania potrzebne do tego zachowania są spełnione przez zespoły neuronów wewnątrz ciał grzybów, dlatego fascynują nas wewnętrzne obwody w całym materiale. Nasze wyniki sugerują, że określone aspekty tych obwodów zostały ulepszone, aby zapewnić zwiększone możliwości motyli Heliconius.
Badanie to przyczynia się do zrozumienia, w jaki sposób obwody neuronowe zmieniają się, odzwierciedlając innowacje i zmiany poznawcze. Badanie obwodów neuronowych w możliwych do zastosowania systemach modelowych, takich jak owady, może ujawnić mechanizmy genetyczne i komórkowe wspólne dla wszystkich obwodów neuronowych, potencjalnie wypełniając w ten sposób lukę, przynajmniej na poziomie mechanistycznym, w stosunku do innych organizmów, takich jak ludzie.
Patrząc w przyszłość, zespół planuje zbadać obwody neuronowe poza ośrodkami uczenia się i pamięci w mózgu motyla. Mają także na celu zwiększenie rozdzielczości mapowania mózgu, aby zwizualizować, w jaki sposób poszczególne neurony łączą się na jeszcze bardziej szczegółowym poziomie.
Dr Farnworth powiedział: „Byłem naprawdę zafascynowany faktem, że widzimy tak wysoki stopień zachowania anatomii i ewolucji mózgu, a jednocześnie bardzo wyraźne, ale wyraźne zmiany”.
„To naprawdę fascynujący i piękny przykład warstwy różnorodności biologicznej, której zwykle nie widzimy, różnorodności mózgu i systemów sensorycznych oraz sposobów, w jakie zwierzęta przetwarzają i wykorzystują informacje dostarczane przez otaczające je środowisko” – podsumowała dr Montgomery'ego.