과학자들은 붉은 빛에 노출되면 멈추는 파리를 만들어냈다

주방 카운터에 있는 초파리가 움직이지 못하게 하고 싶었던 적이 있나요? Max Planck Florida Institute for Neuroscience의 과학자들이 붉은 빛에 멈추는 초파리를 만들었습니다. 이를 통해 그들은 멈추는 데 관련된 정확한 신경 메커니즘을 발견했습니다. 이번 주 Nature에 발표된 그들의 연구 결과는 초파리의 행동을 제어하는 ​​것 이상의 의미를 가지고 있습니다. 그들은 뇌가 환경적 맥락에 따라 어떻게 다른 신경 메커니즘을 사용하는지 보여줍니다.

복잡한 행동을 이해하는 초파리의 힘

멈추는 것은 거의 모든 동물 행동에 필수적인 중요한 행동입니다. 먹이를 찾을 때 동물은 먹을 음식을 감지하면 멈춰야 하고, 더러워지면 스스로 손질하기 위해 멈춰야 합니다. 멈출 수 있는 능력은 겉보기에 간단해 보이지만 걷기와 같은 경쟁 행동과 복잡한 상호 작용을 포함하기 때문에 잘 이해되지 않았습니다.

Max Planck Florida 과학자 Dr. Salil Bidaye는 강력한 연구 모델인 Drosophila Melanogaster (일명 초파리)를 사용하여 신경 회로 활동이 환경 탐색과 같은 정확하고 복잡한 행동으로 이어지는 방식을 이해하는 전문가입니다. 이전에 전진, 후진 및 회전 운동에 중요한 뉴런을 식별한 Bidaye 박사와 그의 팀은 정지로 전환했습니다.

"세상을 의도적으로 움직이는 것은 걷는 것만큼 올바른 시기에 멈추는 것에 달려 있습니다. 그것은 먹기, 짝짓기, 해를 피하는 것과 같은 중요한 행동의 핵심입니다. 우리는 뇌가 멈추는 것을 어떻게 제어하는지, 그리고 멈추는 신호가 걷는 신호를 무시하는 곳을 이해하는 데 관심이 있었습니다."라고 Bidaye는 말했습니다.

과일파리의 연구 모델로서의 힘을 활용하고, 동물의 단순화된 신경계, 짧은 수명, 많은 자손 수를 포함하여, 비다예와 그의 팀은 유전적 스크린을 사용하여 멈추는 것을 시작하는 뉴런을 식별했습니다. 광유전학을 사용하여 붉은 빛을 비추어 특정 뉴런을 활성화한 연구자들은 자유롭게 걷는 파리가 멈추는 것을 유발하는 뉴런 그룹을 작은 뉴런으로 켜는 것을 확인했습니다.

정지를 위한 두 가지 메커니즘

Foxglove, Bluebell, Brake라는 세 가지 고유한 뉴런 유형이 활성화되면 파리가 멈추게 했습니다. 과학자들은 신중하고 정확한 분석을 통해 파리의 멈추는 메커니즘이 활성화된 뉴런에 따라 다르다는 것을 확인했습니다. Foxglove와 Bluebell 뉴런은 각각 앞으로 걷기와 회전을 억제하는 반면, Brake 뉴런은 모든 걷기 명령을 무시하고 다리 관절 저항을 강화했습니다.

"저희 연구팀의 다양한 전문 지식은 정확한 정지 메커니즘을 분석하는 데 중요했습니다. 각 팀원은 다리 움직임 분석, 신경 활동 영상화, 계산 모델링을 포함한 다양한 방법을 통해 질문에 접근하여 저희의 이해에 기여했습니다." Bidaye의 공로입니다. "또한 여러 연구실과 국가에 걸친 대규모 연구 협업을 통해 최근 파리 뇌와 신경줄의 모든 뉴런 간의 연결을 매핑했습니다. 이러한 배선도는 저희의 실험과 신경 회로 및 정지 메커니즘에 대한 이해를 안내했습니다."

Max Planck Florida, Florida Atlantic University, University of Cambridge, University of California, Berkeley 및 MRC Laboratory of Molecular Biology의 과학자로 구성된 연구팀은 배선도의 데이터와 이러한 여러 접근 방식을 결합하여 파리의 정지를 유도한 행동, 근육 및 신경 메커니즘에 대한 전체적인 이해를 얻었습니다. 그들은 이러한 다른 뉴런을 활성화해도 파리가 같은 방식으로 멈추지 않고 'Walk-OFF' 및 'Brake'라는 고유한 메커니즘을 사용한다는 것을 발견했습니다.

이름에서 알 수 있듯이 "Walk-OFF" 메커니즘은 자동차의 가속 페달에서 발을 떼는 것과 유사하게 걷기를 유도하는 뉴런을 끄는 방식으로 작동합니다. Foxglove와 Bluebell 뉴런에서 사용하는 이 메커니즘은 억제 신경전달물질인 GABA에 의존하여 걷기를 유도하는 뇌의 뉴런을 억제합니다.

반면, 신경 코드의 흥분성 콜린성 브레이크 뉴런이 사용하는 "브레이크" 메커니즘은 다리 관절의 저항을 증가시키고 자세 안정성을 제공하여 적극적으로 걸음을 방지합니다. 이 메커니즘은 자동차의 브레이크를 밟아 바퀴가 돌지 않도록 적극적으로 멈추는 것과 비슷합니다. 그리고 브레이크를 밟기 위해 가속 페달에서 발을 떼는 것처럼 "브레이크" 메커니즘은 걸음을 방지하는 것 외에도 걷기 촉진 뉴런을 억제합니다.

이 프로젝트의 수석 연구원인 네하 사프칼은 "브레이크" 메커니즘을 발견한 팀의 흥분을 설명합니다. "'워크오프' 메커니즘은 다른 동물 모델에서 발견된 정지 메커니즘과 유사했지만, '브레이크' 메커니즘은 완전히 새로운 것이었고 파리에서 매우 강력한 정지를 일으켰습니다. 우리는 파리가 이러한 다양한 메커니즘을 언제 어떻게 사용할지 이해하는 데 즉시 관심이 있었습니다."

중단 메커니즘의 컨텍스트별 활성화

파리가 언제 'Walk-OFF'와 'Brake' 메커니즘을 사용하는지 확인하기 위해 연구팀은 다시 한번 파리 신경계 배선도를 기반으로 한 예측 모델링, 파리에서 정지하는 뉴런의 활동 기록, 다양한 행동 시나리오에서 메커니즘 중단 등 여러 가지 접근 방식을 취했습니다.

그들의 연구 결과는 두 메커니즘이 서로 다른 행동적 맥락에서 상호 배타적으로 사용되었으며 관련 환경적 신호에 의해 활성화되었음을 시사했습니다. "Walk-OFF" 메커니즘은 먹이를 먹는 맥락에서 작동하며 설탕 감지 뉴런에 의해 활성화됩니다. 반면, "Brake" 메커니즘은 손질하는 동안 사용되며 파리의 털에서 나오는 감각 정보에 의해 활성화될 것으로 예상됩니다.

손질하는 동안 파리는 여러 다리를 들어올리고 균형을 유지해야 합니다. 브레이크 메커니즘은 관절의 능동적 저항과 서 있는 다리의 자세 안정성 증가를 통해 이러한 안정성을 제공합니다. 실제로 과학자들이 '브레이크' 메커니즘을 방해했을 때 파리는 손질 시도 중에 종종 넘어졌습니다.

"파리 뇌는 문맥 정보가 정지와 같은 특정 행동 메커니즘을 어떻게 사용하는지에 대한 통찰력을 제공했습니다." 비다예는 "이러한 메커니즘을 이해하면 다른 동물에서 유사한 문맥별 프로세스를 식별할 수 있기를 바랍니다. 인간의 경우, 우리가 멈추고 발을 들어 신발을 조정하거나 트레드에서 돌을 제거할 때, 우리는 브레이크 메커니즘과 유사한 안정화 메커니즘을 활용할 가능성이 높습니다. 문맥별 신경 회로와 그것들이 다른 감각 및 운동 회로와 어떻게 함께 작동하는지 이해하는 것이 복잡한 행동을 이해하는 데 중요합니다."라고 말합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241002123015.htm