Как серотонин заставляет личинку дрозофилы глотать

Пищевое поведение, как и реализация других жизненно важных функций, относится к фундаментальным вопросам физиологии и нейробиологии. Оно подразумевает взаимодействие нервной системы с сигналами, поступающими из окружающей среды и от внутренних органов. Для пищевого поведения важно, чтобы действие, направленное на кормление, подкреплялось, если оно удовлетворяет биологическую потребность. Авторы статьи в Current Biology составили карту нейронных цепей у личинки дрозофилы и выявили петлю обратной связи между кишечником и мозгом — эта петля управляет процессом глотания.

Для полной реконструкции нервов и иннервируемых ими органов ученые воспользовались сканирующей трансмиссионной электронной микроскопией. С ее помощью они полностью реконструировали вагусный (блуждающий) нерв, соединяющий энтеральную нервную систему с мозгом, на уровне отдельных нейронов.

Функциональный анализ нейронных цепей авторы начали с серотонинергических энтеральных нейронов (Se0_ens), которые проецируются в энтеральные ганглии, кольцевую железу и среднюю кишку. Основными мишенями этих нейронов оказались гипоцеребральный ганглий (hypocerebral ganglion) и провентрикулярный ганглий, входящие в состав энтеральной нервной системы. В ней широко распространены серотониновые рецепторы, различные подтипы которых экспрессируются в сенсорных и моторных нейронах, а также в мышцах и эндокринных клетках. Опыты ex vivo показали, что инактивация синтеза серотонина замедляла глотание, а обработка им, напротив, стимулировала. При этом сами Se0_ens активировались при кормлении личинки мушки, в первую очередь в ответ на привлекательные для личинки питательные вещества (горькие соединения снижали активность этих нейронов).

Подробный анализ мотонейронов, иннервирующих кольцевые мышцы пищевода, выявил интересный проекционный паттерн — иннервировались только шесть передних мышечных колец, и количество нервно-мышечных соединений уменьшается по ходу пищевода. Таким образом, глотание подразделяется на произвольное (нейрогенное) и непроизвольное (миогенное).

Исследуемые мотонейроны были окружены Se0_ens в гипоцеребральных ганглии и экспрессировали серотониновый рецептор подтипа 7 (5-HT₇). Обработка серотонином увеличивала активность этих мотонейронов, особенно в первые три минуты. 5-HT₇ — возбуждающий серотониновый рецептор, повышающий уровень цАМФ в клетке. Рост уровня цАМФ в мотонейронах действительно происходил под действием серотонина, кроме того, оптогенетическое повышение его уровня с помощью фотоактивируемой аденилатциклазы стимулировало глотательные движения. Таким образом, моторика кольцевых мышц пищевода модулируется серотонином.

Кроме того, авторы показали, что от уровня 5-HT₇ в мотонейронах зависит количество потребляемой пищи — оверэкспрессия этого рецептора стимулировала потребление мушками еды, а его нокаут, напротив, этому препятствовал.

Затем ученые идентифицировали все сенсорные нейроны, связанные с пищеводом. Классификация по морфологии и синаптическим связям выявила три кластера нейронов в ганглиях пищевода — передние, медиальные и задние. Последние два кластера экспрессировали механорецептор Piezo, и исследователи задались вопросом, требуется ли активность этого механорецептора для контроля потребления пищи. Нокаут Piezo действительно снижал активность пищевого поведения, которая восстанавливалась повторным введением трансгена.

Дальнейший анализ показал, что для активации Se0_ens необходим механосенсорный сигнал, однако только его недостаточно. Se0_ens реагируют на сигналы задних сенсорных нейронов пищеводного ганглия, которые «сообщают», что пища успешно прошла по пищеводу, но активность Se0_ens регулируется также качеством (вкусом и текстурой) пищи.

На основании полученных данных ученые предлагают следующий принцип контроля глотания. Сенсорные нейроны пищевода реагируют на растяжение стенок пищевода, вызванное проходящей по нему пищей, и передают серотонинергическим энтеральным нейронам сигнал о том, что акт глотания прошел успешно. Ценность этого акта для биологических потребностей определяется дополнительными сигналами, такими как вкус и текстура пищи, — «нужные» питательные вещества также активируют серотонинергические энтеральные нейроны, тем самым усиливая сигнал. Наконец, сама серотонинергическая система обеспечивает подкрепление нужного действия, когда оно воспринимается как удовлетворяющее потребности.

Диета контролирует половое поведение дрозофилы