Home / آخرین اخبار / مطالعه تصمیم گیری در مگس میوه!

مطالعه تصمیم گیری در مگس میوه!

aAa

 

نوروسافاری| خانُم کارد میخواست بفهمد حیوانات چگونه تصمیم می گیرند؟ چگونه و چه زمانی کاری را انجام می دهند؟ و برای انجام این کار از مگس میوه کمک گرفت. مطالعه اساس نورونی رفتار حیوانات ممکن است عجیب به نظر برسد ولی وقتی شما در نظر بگیرید که مغز انسان دارای ۱۰۰ میلیارد سلول عصبی است در حالی که مگس به ندرت ۱۰۰ هزار سلول دارد این کار معنا می یابد. یک رهبر گروه در Janelia Research Campus تلاش کرد تا از مسیرهای عصبی که در رفتار فرار Drosophila نقش اساسی دارد رمز گشایی نماید. بررسی توالی حرکاتی که یک مگس میوه در پاسخ به یک شکارچی انجام می دهد حتی با وجود کوچکتر بودن اندازه مغز مگس آسان به نظر نمی رسد. بنابراین گروه آزمایشگاه او با دانشمندان دیگر Janelia تیمی تشکیل دادند. او توضیح داد : تصور ما بر آن است که ما به همراه همکارانمان در Janelia می توانیم تمام نورونهای مغز مگس را شناسایی نموده و ایده کاملی از آنچه سیستم عصبی مگس انجام می دهد به دست آوریم.

به گزارش نوروسافاری به نقل از وبسایت جانلیا فارم، کارد و گروه آزمایشگاهیش ماشینی خودکار به نام “Fly Pez” ساختند تا رفتار فرار را در مگس میوه بهتر مطالعه نمایند. “Fly Pez” با اجرای یک پرواز در ناحیه کوچک گنبدی شکل کار می کند. با تصویر کردن یک حلقه تیره بر روی ناحیه گنبدی نزدیک شدن یک سنجاقک رنگین شکارچی را شبیه سازی می نماید یعنی در واقع حلقه تیره بر روی گنبد نقش شکارچی را دارد و مگس میوه را وادار به اجرای یکی از چندین نوع رفتار فرار می نماید. برای مثال اگر حمله قریب الوقوع به نظر برسد مگس به امید گریز از شکارچی رفتار سریع و بسیارناپخته ای انجام می دهد. اما اگر زمان داشته باشد خیزش کنترل شده تری خواهد داشت و جهت هماهنگی بال ها و پاها زمان داشته و بنابراین می تواند به طور هم زمان بال بزند و پاهای خود را به عقب حرکت دهد.

یافته های اولیه گروه نشان داد که نوعی از سلول ها به نام نورون های نزولی مسئول رفتار فرار هستند. این سلول ها از مغز مگس تا طناب عصبی شکمی آن (معادل طناب نخاعی ) امتداد می یابند و تمام فرآیند های حسی مغز را کد گذاری می کنند.

اکنون خانم کارد تصمیم گرفت تا رمزگشایی نماید چگونه مغز مگس اطلاعات حسی (مانند یک حمله قریب الوقوع سنجاقک ) را دریافت نموده و با عبور از این نورون ها یک رفتار خاص را بر می انگیزد.

به منظور هدایت نورون های درگیر در این رفتارها و به منظور شناسایی نورون های نزولی لاین ۱۸۰ مگس (Fly line 180)، خانم کارد با همکارانش تیم پروژه اینترنورون نزولی مگس (Fly Descending Interneuron project team) را تشکیل دادند. هر لاین مگس حاوی تغییر جزئی در نوع متفاوتی از این سلول های عصبی است که می تواند با یک تک پالس نور قرمز فعال شود. این تکنیک که اپتوژنتیک نام دارد به کارد اجازه می دهد تا فعالیت نورون های خاصی را کنترل نموده و رفتار  های حاصله در مگس ها را در دستگاه Fly Pez  ثبت نماید.

ردیابی ظرافت های رفتاری

کارد برای تحلیل اطلاعات جمع آوری شده از یک مگس مهارشده بر روی یک صفحه به رهبر گروه Janelia، کریستین برانسون که متخصص کامپیوتر بود روی آورد. در توالی دقیق حرکاتی که یک مگس هنگام نشان دادن رفتارهای شبیه سازی شده مقلد شکارچی در حین پرواز انجام می دهد هیچ شباهتی وجود نداشت. قبلا برانسون و تیم آزمایشگاهی اش برای تعیین حرکات همراه با رفتارهای خاص در موش، یک نرم افزار ردیابی حرکت  طراحی نموده بودند. کارد و برانسون با همکاری یکدیگر در تلاشند تا نرم افزار را برای به دست آوردن اطلاعات دقیق تر در مورد حرکات Drosophila متناسب نمایند. با استفاده از ترکیبی از ویدئوی پر سرعت و یادگیری ماشینی، الگوریتم برانسون می تواند حرکات ظریفی که برای ارتباط فعالیت عصبی با رفتارهای خاصی در مگس ها ضروری هستند را ضبط کند. برانسون توضیح داد: رفتار نسبتا ظریف است و ما می خواهیم تمام جزئیات را در مورد حرکات پاهای مگس بدانیم. برای شروع دانشمندان در ابتدا با نشان دادن ویدیوی رفتار مگس بر روی صفحه و با نشاندار کردن نواحی مورد نظر ( در این مورد نقاط خاصی در امتداد پای مگس) بر روی صفحه الگوریتمی را راه اندازی نمودند. این توضیح به الگوریتم “یادگیری” کمک کرد تا به طور خودکار همان نقاط مشابه را در ویدیوهای دیگر نیز ردیابی کند. با اطلاعات به دست آمده کافی تیم برانسون به فاز بعدی یعنی آموزش الگوریتم پرداختند تا خودش مگس ها را شناسایی نماید.

 چه چیزی باعث پرش مگس می شود

در بین رشته های نورون های نزولی در مغز مگس یک جفت سلول عصبی بزرگ به نام فیبرهای غول پیکر قرار دارد که از مغز تا طناب عصبی شکمی امتداد یافته و اینکه  یک مگس هنگام پرواز از یک سطح چطور به سرعت پاهایش را باز کند را کنترل می کند. برای کسب ایده بهتر از چگونگی شلیک این نورونها در ارتباط با سلول های عصبی دیگر کارد با داوی باک یک تیم تشکیل داد. باک رهبر گروهی در Janelia بود که تیمش با میکروسکوپ الکترونی با مقیاس بزرگ از صفحات بافت های عصبی عکس گرفته  و از این عکس ها برای ترسیم نمودارهای شبکه ای مدارهای عصبی استفاده می کرد.

کارد و باک در حال گسترش “ اطلاعات ورودی” به فیبرهای غول پیکر بودند. به سادگی آن ها در تلاش بودند تا نورون های تحریک کننده فیبرهای غول پیکر را شناسایی نموده و رفتار فرار را القا نمایند. باک گفت: در پایان ما می خواهیم بتوانیم این را بگوییم که، فرآیندهایی که طی آنها سیستم بینایی مگس به محرک های تصویر شده پاسخ می دهد را در اینجا آورده ایم حال منحنی (از مغز)  تا پاسخ حرکتی فرار کدام است؟

جلب توجه و فرار

رهبر گروه Janelia، دیوید استرن نیز مانند کارد به رفتار مگس میوه علاقه مند بود. اما این زیست شناس رشد و تکامل،  بیشتر به رفتارهای جلب توجه مگس توجه می کرد تا پاسخ های او به شکارچی.

استرن و همکارانش در دانشگاه پرینستون نرم افزاری را طراحی کردند که بتواند حرکات مگس را تحلیل کرده و بطور عینی این حرکات را به رفتارهای خاصی مانند گرومینگ (grooming)، راه رفتن (running) یا آواز خواندن (singing) نسبت دهند. روش آنها بی نهایت حساس است و می تواند رفتارهایی  که به راحتی با چشم قابل رویت نیست را شناسایی کند.

اخیرا کارد و استرن همکاری را آغاز نمودند که کارد شناساگرهای اپتوژنتیک را که با the Fly Descending Interneuron project شروع کرده بود با تکنولوژی تحلیل رفتاری اش ترکیب نمود. Jessica Cande در آزمایشگاه استرن تمام  لاین های ژنتیکی اینترنورون های نزولی را برای تعیین عملکرد هر کدام آزمایش نمود. نتیجه یک  نقشه رفتاری است که سلول های عصبی خاصی بر اساس اینکه کدام رفتارها را باعث می شوند نشاندار شده اند. Cande می گوید داده های ورودی کارد در چگونگی تحلیل اطلاعات بسیار مفید بوده است. او گفت استخراج اطلاعات از این نقشه در بیشتر موارد کاملا چالش برانگیز بوده است.

تهیه طرح اولیه

هنگامی که کارد تمامی مسیر های عصبی درگیر در رفتار فرار مگس را به صورت نقشه در آورد او نیاز به روشی داشت تا اطلاعات را به تصویر کشیده و گزارش کند. ملاقات کارد با فریمن، متخصص تصویربرداری و پردازش اطلاعات، با مطالعه دقیق طرح اولیه دست نویس او از شبکه نورون های درگیر در رفتار فرار، شروع می شد.

کارد اشاره می کند که   connectomes (نمودارهای نشانگر اتصالات نورونی) اغلب ارتباط بین برخی از نواحی مغز را نشان می دهند. کارد و فریمن تصمیم گرفتند این ایده را گسترش داده و در نمودارهایشان  نورونهای اختصاصی را معرفی نمایند.

هدف آنها تعیین الگوهایی در اطلاعات کارد با سازماندهی مجدد آن در یک حالت شهودی تر و قابل تجسم تر است. فریمن بیان کرد: تجسم این الگوها به شیوه صحیح می تواند به ما این دید را بدهد که چه الگوهایی را می بینیم. اما ارائه تصویرسازی صحیح بخش دشوار کار می باشد. به همین خاطر ما در مورد آن (استراتژی هایی برای تصویرسازی این اطلاعات) صحبت می کنیم. با هر روش تکراری کارد و فریمن یک گام دیگر به تصویر واضح ارتباطات نورونی نزدیک شدند.

تهیه مدار کامل

اگرچه کارد و همکارانش برای فهم بهتر رفتار drosophila و اجزای نورونی حمایت کننده آن بی نهایت تلاش کردند آن ها تصویر بزرگتری در ذهنشان داشتند. آنها امیدوارند که با فهم اینکه چگونه رفتار در مغز مگس رمزگذاری می شود پی ببرند چطور سیستم های عصبی سایر ارگانیسم ها (مانند انسان ها) به طور مشابهی اطلاعات مربوط به محیط اطراف را پردازش نموده و از آن در تصمیم گیری های خاص استفاده می کنند.

کارد می پرسد: هنگامی که ما بیسبال بازی می کنیم آیا چوب بیسبال را چرخانده و به توپ ضربه می زنیم؟ محکم ضربه نمی زنیم؟ آهسته به توپ ضربه می زنیم؟

ما تصور می کنیم که با شناختن این مدارها برای تکمیل کردن در مگس می توانیم سرنخ هایی در مورد اینکه چطور مغز ما می تواند این نوع تصمیم ها را بگیرد به دست آوریم.

ترجمه و تلخیص: مهدی هوشمندی – نوروسافاری

لینک متن اصلی در وبسایت جانلیا فارم:

Decision Making in Drosophila, A team of scientists combines their expertise to decipher neural pathways that govern fruit fly behavior.

 

Check Also

سه مساله بحث برانگیز علوم اعصاب

مطالب مرتبط: کارگاه آموزشی “نقشه برداری کارکردی مغز در سطح شبکه های عصبی” Brain Activity …

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *