1.28.2.4 Olfactory Reversal in Nematodes
Jeśli organizacja zachowania typu bodziec-reakcja była szczególnym przystosowaniem ewolucyjnym, np. wyewoluowała w celu przyspieszenia selekcji działań w przewidywalnych sytuacjach, być może można znaleźć ich przykłady w modelu zwierzęcym, gdzie mamy wskazówkę, że ewolucja mogła usprawnić ścieżki od bodźców do odpowiedzi. Jednym z najlepiej zbadanych genetycznie organizmów modelowych i jak dotąd jedynym dorosłym zwierzęciem z kompletnym konektomem układu nerwowego jest nicień Caenorhabditis elegans z 302 neuronami. Konektom C. elegans jest zdominowany przez połączenia typu feedforward z neuronów czuciowych do neuronów ruchowych (Qian i in., 2011), więc być może układ nerwowy tego nicienia jest obiecującym kandydatem do znalezienia „odpowiedzi” w dosłownym znaczeniu tego słowa.
Jednym z dobrze scharakteryzowanych zachowań u tego nicienia jest zachowanie odwrotne. Występuje ono zawsze, gdy zwierzę napotyka awersyjne bodźce, takie jak pewne zapachy. Obwód kontrolujący to zachowanie można opisać za pomocą zaledwie 4 neuronów, ich 44 połączeń chemicznych i elektrycznych synaps. Centralnym elementem tego systemu jest neuron zwany AVA. Kiedy AVA jest aktywny, zwierzę odwraca swój kurs. Wejście sensoryczne do tego neuronu jest dostarczane przez neuron węchowy, AWC. Na przykład, jeśli AWC jest stymulowany przez atrakcyjny odorant, przestaje się on odpalać, przez co AVA traci wejście pobudzające i również przestaje się odpalać, co zmniejsza prawdopodobieństwo odwrócenia kursu. I odwrotnie, aktywacja AWC eksperymentalnie lub za pomocą awersyjnego zapachu zwiększa prawdopodobieństwo odwrócenia sytuacji poprzez synaptyczną aktywację AVA (Gordus i in., 2015). W obwód ten zaangażowane są dwa dodatkowe neurony, AIB i RIM, a scharakteryzowanie ich roli w obwodzie jest kluczowe dla zrozumienia organizacji węchowych zachowań odwracających u C. elegans.
Pierwszą interesującą obserwacją wynikającą z łączności obwodu jest to, że istnieje więcej połączeń z neuronu czuciowego AWC do interneuronu AIB niż do neuronu odwracającego AVA. Jest to nieoczekiwane, gdyby główną funkcją układów nerwowych było przekazywanie informacji sensorycznych do ośrodków motorycznych. Obrazowanie tego obwodu u unieruchomionych robaków przy braku jakichkolwiek bodźców ujawnia złożony wzór skorelowanej aktywności wszystkich neuronów. Co ciekawe, neurony wykazują pewien rodzaj binarnego stanu aktywności, który w większości przypadków jest albo włączony (neuron jest aktywny) albo wyłączony (neuron jest nieaktywny). Kwantyfikując fluktuacje aktywności w tym obwodzie, można zauważyć, że istnieją trzy główne stany (z ośmiu teoretycznie możliwych), w których obwód jest często spotykany: nieco ponad 60% czasu system jest w stanie „wszystko włączone”, mniej więcej 20% jest „wszystko wyłączone”, a przez pozostałe 20% jest w stanie „tylko AIB włączone”. Ta obserwacja przynosi dwa spostrzeżenia: Po pierwsze, nawet bez jakiejkolwiek stymulacji, ta dynamika sieci może generować spontaniczne odwrócenia, nie wymagając żadnego wejścia sensorycznego. Po drugie, każdy bodziec węchowy docierający do AWC będzie wchodził w interakcję ze stanem, w którym aktualnie znajduje się obwód, a nie docierał do obwodu w stanie spoczynku i wyzwalał aktywność neuronalną, której wcześniej tam nie było. Behawioralną konsekwencją tej interakcji jest nie tylko występowanie spontanicznych odwróceń, ale także „spontanicznych” nieodwróceń w obecności awersyjnego zapachu. Innymi słowy, obwód odwracający jest probabilistyczny i bez obserwacji układu nerwowego robaka nie można stwierdzić, na ile spontaniczne jest obserwowane zachowanie.
Eksperymentalne wyciszenie jednego lub obu interneuronów w tym obwodzie ujawnia, że rolą AIB i RIM jest zwiększenie zmienności obwodu odwracającego. Podczas gdy wejście do obwodu z neuronu węchowego AWC jest zawsze bardzo precyzyjne i przewidywalne, jeśli np. prezentowany jest zapach, aktywność obwodu odwracającego jest zawsze znacząco zmienna i zmienność ta jest zredukowana, jeśli AIB, RIM lub oba są wyciszone (Gordus i in., 2015). Odkrycie to stanowi doskonały argument za tym, że RIM i AIB zostały włączone do obwodu odwracającego specjalnie po to, by wprowadzić bardzo potrzebną zmienność do skądinąd nieprzystosowawczo deterministycznego obwodu odwracającego. Co zaskakujące, nawet jeśli połączenia typu feedforward dominują w łączności również w tym małym obwodzie, zmienność zapewniana przez połączenia typu feedback dominuje nad adaptacyjną cechą zachowania, jego zmiennością. Praca ta dodaje C. elegans do wydłużającej się listy zwierząt, których układy nerwowe są tak zorganizowane, że bieżąca aktywność jest jedynie modulowana przez bodźce zewnętrzne. W przypadku nicieni okazuje się, że spośród czterech neuronów wchodzących w skład tego obwodu, dwa istnieją wyłącznie po to, by łagodzić wpływ bodźców na zachowanie zwierzęcia, by uczynić je bardziej autonomicznym w stosunku do otoczenia. Jeśli zwierzę posiadające tylko 302 neurony, które, jak u wszystkich innych zwierząt, tworzą najbardziej kosztowną energetycznie tkankę, poświęca 50% obwodu na przeciwdziałanie efektom połączeń bodziec-reakcja w swoim układzie nerwowym, to implikacje tego odkrycia dla organizacji zachowania u zwierząt ogólnie nie mogą być niedoceniane.
W przeciwieństwie do koncepcji, że koneksom zdominowany przez połączenia typu feedforward z obszarów sensorycznych do motorycznych implikuje, że głównie oblicza on wyjście motoryczne z wejścia sensorycznego, również układ nerwowy C. elegans jest najlepiej scharakteryzowany przez stale zmieniającą się, trwającą aktywność, podobnie jak wiele innych układów nerwowych wcześniej badanych pod tym kątem. Wydaje się, że nawet numerycznie niewielki komponent sprzężenia zwrotnego wnosi fundamentalny wkład w ogólną architekturę nawet takich sieci zdominowanych przez sprzężenie zwrotne. Co to oznacza dla mózgów takich ssaków, których neuroanatomia wydaje się być zdominowana przez pętle sprzężenia zwrotnego?