Муха не ела целый день, она голодна. Наконец, она находит кучу съедобного липкого желе. Она начинает есть, вдруг появляется зелёный свет — и прежде не очень привлекательная еда становится ужасно сладкой. Муха, возбуждённая внезапным улучшением, ест более энергично. Но эта энергия быстро угасает, когда исчезает зелёный свет и вкус пищи возвращается к изначальному.
Если задуматься об этой ситуации, можно предположить, что она является результатом добавления подсластителя или какого-то временного возбуждения. Но нет, ответ лежит в области, которую недавно можно было бы отнести только к научной фантастике.
«Опыт мухи был реален. Это был виртуальный вкус, созданный с помощью манипуляций вкусовыми нейронами», — говорит Карлуш Рибейру (Carlos Ribeiro), руководитель лаборатории поведения и метаболизма Фонда Шампалимо (порт. Fundação Champalimaud) в Лиссабоне. Вместе со своей командой Рибейру разработал optoPAD — систему, создающую «виртуальные вкусовые реальности», сочетающиеся с поведением мухи. Технология описана в статье, опубликованной в eLife.
OptoPAD сочетает в себе две высокотехнологичные составляющие. Во-первых, оптогенетику, метод, использующий свет для контроля активности нейронов (для их буквального «включения» и «выключения»). Например, упомянутая муха ненадолго стала наслаждаться более аппетитной пищей, потому что её нейроны, чувствительные к сладкому, активировались оптогенетически при воздействии зелёного света.
Вторая составляющая optoPAD — разработанная ранее в лаборатории дополнительная система flyPAD. «FlyPAD использует технологию сенсорного экрана для контроля поведения мухи при принятии пищи. Подобно тому, как смартфон способен распознать прикосновение пальца к экрану, flyPAD распознаёт прикосновение мухи к пище», — объясняет Жозе-Мария Морейра (José-Maria Moreira), один из ведущих соавторов исследования.
Совместив flyPAD с оптогенетикой, исследователи смогли преодолеть одну из главных проблем в области исследования питания — точный контроль вкусовых ощущений.
В отличие от слуховой и визуальной информации, подверженной мгновенному и независимому от поведения животного изменению, животные получают информацию о вкусе только тогда, когда добровольно прикасаются к пище языком или хоботком (в случае мухи). «С помощью optoPAD мы постоянно отслеживаем поведение мухи, чтобы убедиться, что мы меняем вкус пищи оптогенетически именно тогда, когда муха соприкасается с ней», — объясняет Морейра.
В исследовании, показывающем, что optoPAD способен эффективно сочетать активное употребление пищи с оптогенетическими манипуляциями, исследователи показывают, что виртуальные вкусы оказывают реальное влияние на поведение мух.
Например, они могут заставить муху есть слишком много, оптогенетически активируя нейроны, чувствительные к сладкому, или заставить её прекратить есть вообще, независимо от того, насколько она голодна, активируя нейроны, чувствительные к горькому.
Для исследователей манипуляции со вкусом — только начало, но этого недостаточно. «Мы разработали optoPAD, потому что нам интересно понять, как мозг принимает одно из самых фундаментальных решений для здоровья: какую пищу употреблять, — говорит Деннис Гольдшмидт (Dennis Goldschmidt), один из авторов исследования. — Но выбор пищи зависит не только от вкуса, поэтому мы хотели убедиться, что optoPAD может быть использован для изучения активности любых нейронов».
Поскольку нейроны вкуса расположены во рту у мухи, это делает их доступными для манипуляций с помощью света. Для дальнейших исследований команда выбрала в качестве цели более сложный механизм — нейроны, участвующие в прыжковых реакциях.
Результат был предсказуем: «Как мы ожидали, оптогенетическая стимуляция нейронов, отвечающих за прыжки, заставляла мух прыгать, прекращая питание. Это доказывает, что мы можем изучать любой нейрон, независимо от его местоположения, чтобы понять его роль в цепи, отвечающей за питание», — говорит Гольдшмидт.
Хотя optoPAD кажется фантастическим способом улучшения питания без ущерба для вкуса, цель исследователей заключается в использовании этой технологии для улучшения жизни человека более фундаментальным образом. «Пища, которую мы едим, влияет на все аспекты нашей жизни, включая старение, способность к воспроизводству, психическое состояние и настроение, — говорит Рибейру. — И всё же то, как мозг выбирает пищу, остаётся загадкой. OptoPAD может помочь нам определить нейроны и гены, оказывающие непосредственное влияние на питание и, следовательно, наше благополучие».
Сейчас команда готовится начать новую серию экспериментов, и уже делится новой технологией с научным сообществом. Все чертежи и программное обеспечение выложены в открытый доступ: http://ribeirolab.org/optopad/.
«Мы ожидаем, что гибкость optoPAD позволит исследователям изучать не только пищевое поведение, но и то, как мухи адаптируют поведение к сложным условиям окружающей среды, что, в свою очередь, может привести к выявлению новых нейронных цепочек», — заключает Рибейру.