О мухах, генах и времени на принятие решения

В серии экспериментов ученым из Оксфордского университета удалось доказать, что мухи задумываются, принимая решение: чем труднее задача, тем дольше мухи думают.

Как показало сравнение обычных мух с мутантными линиями, в принятии решения участвует ген FoxP: мутанты с дефектным FoxP в трудных ситуациях думают существенно дольше, чем их нормальные сородичи. Этот ген у мух экспрессируется в грибовидных телах, в некоторых из клеток Кеньона; если нарушить их работу, то на решение задачи мухи тратят больше времени. Гены этого семейства и у дрозофил, и у млекопитающих, как следует из экспериментов, контролируют развитие и работу высших нервных функций.

Грибовидные тела (показаны зеленым) — главный мозг у дрозофилы; здесь хранится и обрабатывается информация, здесь же принимаются решения.
Всем известно, как быстро мы отвечаем на вопрос «Сколько будет дважды два?», но если в задаче требуется подсчитать сложные проценты, то мы просим: «Дайте подумать». Чтобы решить трудную задачу, нам, людям, нужно для ответа некоторое время. Ученые из Центра нейронных сетей и поведения при Оксфордском университете показали, что мухи дрозофилы в этом смысле мало отличаются от людей: им тоже нужно время на решение трудных задач, тогда как с простыми они справляются быстро.
Это удивительное и изящное исследование построено на экспериментах, в которых плодовые мушки должны были отличить сильную («опасную») концентрацию пахучего вещества 4-метилциклогексанола от слабой («безопасной»). Предварительно у мух выработали условный рефлекс на этот «опасный» запах: мухи учились избегать его после серии электрических ударов. Потом тренированных мушек сажали в длинную канавку и с двух сторон подавали пахучее вещество в более сильной и в более слабой концентрациях. Мушка должна была побежать в противоположную сторону от «опасного» запаха — то есть от того конца, из которого подавалась опасная концентрация.

Слева: (вид канавки сверху) путь мухи (красная линия), которая, находясь в зоне принятия решений (коричневая полоса), правильно определила опасную концентрацию пахучего вещества (серый цвет). Справа: камера, в которой проводился эксперимент. Основная часть представляет собой коробку из термопласта с узкой продольной канавкой и входящими в нее на концах двумя трубками, через которые подается пахучее вещество в разных концентрациях. Мухи, обученные в предыдущих экспериментах избегать опасную концентрацию вещества, подсаживаются в канавку через боковые входы. Напротив них, в центре, находится помеченная площадка шириной 7 мм — зона принятия решения. Задача мухи — определить, с какой стороны подается вещество в опасной концентрации. Периодом принятия решения считается время, проведенное на 7-миллиметровой площадке. Камера сверху автоматически снимает маршрут мухи.
Ясно, что чем больше контраст концентраций пахучего вещества с двух сторон, тем легче мухе выбрать правильную сторону и сориентироваться, куда бежать. И, напротив, чем ближе между собой концентрации, тем сложнее дается ей решение. Действительно, в тех случаях, когда подавались контрастные концентрации вещества, муха справлялась за 1–2 секунды; а попав в трудную ситуацию с мало различающимися запахами, муха тратила на решение 2–2,5 секунды.
Методом перебора различных мутантных линий мух (41 линия) удалось выявить ген, который влияет на скорость принятия решения. Им оказался ген из группы FoxP. Гены этого подсемейства экспрессируются в ходе развития мозга позвоночных и беспозвоночных, и весьма вероятно, что один из них, FoxP2, связан у млекопитающих с функцией речи (см. новость Ген речи FoxP2 обзаводится помощниками, «Элементы», 27.11.2013). Мушки, мутантные по гену FoxP, в контрастных условиях (то есть в «легких» случаях) принимали решение быстро, не отличаясь от своих нормальных соседей. Но вот в трудных ситуациях они тратили на выбор маршрута существенно больше времени. Интересно, что при дефектах одних аллелей FoxP точность принятых решений не изменилась. При других дефектах точность могла снизиться почти до случайной.

Показатели поведения мух в экспериментальной камере: доля мух, выбравших верное направление (слева) и время в секундах, проведенное на центральной площадке, то есть период принятия решения (справа). По оси абсцисс отложено отношение «безопасной» и «опасной» концентраций пахучего вещества: 0,1 означает, что безопасная концентрация составляет 10% от опасной; 0,9 — что 90%. Красным цветом показаны данные по мутантам по гену FoxP, черным — дикий тип.
Ген FoxP у дрозофил экспрессируется в грибовидных телах, в некоторых из клеток Кеньона (Kenyon cell). Если с помощью специальной процедуры выключить эти конкретные нейроны, то снова будет заметна задержка в принятии мухами решения в «трудных», неконтрастных, ситуациях. (Сама процедура — GAL4/UAS system — трудоемка, но эффективна; она связана с использованием специфически встроенных GAL4 генов.)
Манипулируя эффективностью работы кальциевых каналов в клетках Кеньона — а они регулируются FoxP — ученые смогли повлиять на мушиные раздумья. Если в экспериментах понизить работоспособность кальциевых каналов, то муха думает в трудных ситуациях еще дольше, а точность принятия решений, как и в случае серьезных повреждений FoxP, снижается почти до случайной.
Авторы работы заключают, что их данные подтверждают гипотезу о кумулятивном эффекте сигналов извне. Чтобы сигнал — в данном случае запах — сработал, нужно, чтобы соответствующие структуры накопили достаточное количество информации, достигнув порогового значения. Этот вывод был сделан на основе статистической обработки распределения временных характеристик мушиного поведения. Могут, однако, оказаться важными и другие результаты работы. С философской точки зрения, сильное впечатление производит аналогия человеческого и мушиного поведения в легких и трудных тестах. Хотя эта аналогия и поверхностная, но стоит задуматься о самых базовых механизмах принятия решений. Вероятно, не случайно, что в сердцевине этого сложнейшего процесса и у млекопитающих, и у мушек оказались гены одного подсемейства. Это чрезвычайно перспективное направление исследований.