Конкурс «Био/Мол/Текст»-2021/2022

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2021/2022.

Партнер номинации — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

---

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

Генеральный партнер конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Почему змеи кажутся злыми?

Пара лицевых ямок, придающих гремучим змеям злобный вид, дала подсемейству Crotalinae их английское название pit vipers, что означает «ямные гадюки». Впервые инфракрасная чувствительность была обнаружена у питонов в 1930-х годах, а затем и у гремучих змей. У них тепловым датчиком является лицевая ямка, расположенная на боковой поверхности головы между наружной носовой полостью и глазом (рис. 1).

Ямки произошли от соматосенсорной системы и передают информацию в задний мозг через тройничный нерв (рис. 2). Змеи, чувствительные к инфракрасному излучению [1], наряду с развитием периферических органов — лицевых ямок, также развили и ядра для обработки этой дополнительной сенсорной информации.

Это удивляло исследователей по двум причинам. Во-первых, ямкоголовые гадюки, очевидно, превратили чувство, сообщающее о прикосновении, температуре и боли на поверхности тела, в чувство, обеспечивающее им тепловое представление о внешнем мире. Во-вторых, инфракрасная система змей дает очень размытое изображение, в отличие от зрительной, но это не мешает им наносить очень точные удары даже в темноте. Почему так происходит? Ответ должен лежать в нейронной обработке сигнала на пути от ямки к среднему мозгу змей.

Строение лицевой ямки

Лицевая ямка состоит из открытой передней камеры и представляет собой сенсор, расположенный в кератинизированном эпидермальном слое (рис. 3). Роль рецепторов выполняют свободные нервные окончания, чувствительные к тепловому излучению [2], [3]. Они могут реагировать на изменения тепловой энергии до 0,001 °C [4], [5]. Высокая плотность свободных нервных окончаний и многочисленные нейронные связи в сенсорном органе имеют решающее значение для обнаружения и обработки сигнала и работают как фильтр для преодоления фонового шума.

Лицевые ямки у гремучих змей иннервируются тройничным нервом, по которому тепловая информация передается в два ядра, расположенные близко друг к другу (рис. 4).

По инфракрасному (ИК) пути информация вначале идет в ядро латерального нисходящего тройничного тракта — LTTD. Только в него может проецироваться ИК информация по тройничному нерву. После — в ядро RC. Затем эта информация достигает тектума (или так называемой крыши среднего мозга) в противоположной стороне от ядер [6]. Именно там происходит слияние зрительной и инфракрасной информации. За это отвечает популяция бимодальных нейронов (рис. 5), которые способны реагировать на несколько раздражителей, отчего они и получили такое название [7].

До недавнего времени эти сенсорные миры были недоступны для человека, однако с появлением новых технологий люди смогли понять, как устроены сенсорные системы и как они влияют на экологию и поведение животных.

Как проверить, за чем следят змеи?

Исследователи [8] использовали электрофизиологические записи из двух ядер заднего мозга гадюки, чтобы выяснить, как в мозге змеи обрабатывается информация и вычисляется направление инфракрасного объекта. Но если зрительный нерв в среднем мозге — это поверхностная область, доступная для электрофизиологических записей, то ядра заднего мозга спрятаны глубоко [9]. Группой ученых был разработан оригинальный препарат мозга змеи in vitro, сохраняющий интактную ямку и ветви тройничного нерва, через которые ИК информация проецируется в мозг. Это позволило им впервые зарегистрировать ответы нейронов в двух ядрах заднего мозга, LTTD и RC.

Для того чтобы сделать такой препарат, ученые вводили внутримышечную инъекцию наркоза змеям. Она обеспечивала глубокую анестезию для последующей хирургической процедуры: змей фиксировали в больших чашках Петри, после чего проводили перфузию, благодаря которой замещали кровь на специальный раствор, способствующий сохранению тканей. После осторожно удаляли клыки и соответствующие ядовитые железы, а затем вскрывали череп с брюшной (вентральной) стороны, чтобы выделить весь мозг вместе с ветвями тройничного нерва и прикрепленными лицевыми ямками с обеих сторон (рис. 6).

Ученые стимулировали клетки в этих ядрах как с помощью электрической стимуляции определенных ветвей тройничного нерва, так и путем естественной стимуляции рецепторов ямки инфракрасным излучением. Сначала авторы исследовали нейроны в LTTD, которые получают информацию от инфракрасных рецепторов, расположенных в лицевой ямке.

Для того чтобы получить ответ от препарата, исследователи активизировали его короткими и неподвижными стимулами [10]. При этом было показано, что нейроны спонтанно «включались», а их включение проявлялось в виде сложной последовательности спайков (потенциалов действия). В случае, если они предъявляли подобный стимул в других местах, то сигналы внутри сложной нервной цепочки переключались с тормозных на возбуждающие. Интересно, что в зависимости от того, какую из областей ямки стимулировали, менялось преобладание одного из процессов — торможения или возбуждения.

Подобный характер ответа напоминает структуру рецептивных полей, т.е. участков, при воздействии стимула на которые происходит изменение возбуждения нейрона (например, с возбуждения на торможение). Такие поля типичны для строения сетчатки [11], [12]. При обнаружении такого сходства стало очевидным что, как и в сетчатке, в лицевой ямке присутствует эффект латерального торможения. Он обеспечивает выявление и реагирование на контрастные границы. Судя по длительности ответа возбуждения и торможения, эти клетки могут обладать чувствительностью к движению.

В своем следующем исследовании учёные развили полученные ранее результаты, используя тепловые стимулы, которые имитировали животных — привычную добычу для змей [8]. Они подтвердили, что нейроны реагируют на такую тепловую цель резкой активностью, которая потом снижается. Хотя это торможение усиливало контрастность сигнала, оно в значительной степени не зависело от направления движения.

Далее исследователи регистрировали нейроны в RC. Они обнаружили другой тип ответа нейронов. Во-первых, в отличие от нейронов в LTTD, половина нейронов в RC проявляла очень низкую спонтанную активность и реагировала на стимуляцию только всплеском спайков. Другая половина зарегистрированных нейронов имела редкую спонтанную активность и сложный паттерн ответа. Около половины этих нейронов имели четкую чувствительность к направлению. Большинство из них сильнее реагировали на движение инфракрасного источника в направлении от виска к носу; остальные нейроны реагировали на движение в противоположном направлении. Полученные результаты свидетельствуют о том, что инфракрасная система змей действительно очень похожа на зрительную.

Что важнее при возникновении образа?

В зрительном тракте сигналы от ямки и глаз гремучей змеи сходятся и создают единое представление об окружающей среде. При этом крайне маловероятно, что инфракрасный сигнал добавляет еще один цвет к зрительному образу. Змеи экспрессируют три гена опсинов (рецепторов, которые чувствительны к свету) в своей сетчатке: УФ-чувствительный, колбочковый и палочковый [13]. Взаимодействие между сигналами колбочек и палочек происходит уже в сетчатке позвоночных, а ночные змеи используют цветное палочковое зрение в темное время суток, когда лицевая ямка наиболее полезна. Поэтому вероятно, что изображения, генерируемые тепловым и зрительным образом, накладываются друг на друга как два отдельных пространственных представления о добыче (рис. 7). Представление о том, какая из них важнее, по-видимому, различается у разных видов: змеи с большими глазами имеют меньшие лицевые ямки и наоборот [14], но сочетание обеих сенсорных модальностей повышает успех охоты [15].

Тот факт, что змеи реагируют именно на разницу температур, а не на контрастность изображения, был показан с помощью методов термографической и компьютерной стимуляции. Исследователи проследили за гремучими змеями Crotalus cerastes до выбранного ими места засады и записали термографические панорамы в 360° из центра места засады [1]. Затем компьютерная стимуляция перемещала объект, имитирующий добычу, вдоль панорамы и рассчитывала коэффициент контрастности для всех направлений. Гремучие змеи не следовали по направлению к контрасту, отличного от среднего, но демонстрировали поразительную тенденцию к выбору направлений с сильными тепловыми переходами. Это значит, что, вероятно, они чрезвычайно чувствительно реагируют на внезапное изменение сигнала, когда животное-жертва пересекает границу между областями с низким и высоким контрастом. Например, при выходе на открытое пространство из кустов. Кустистая местность, как правило, одно из самых предпочтительных мест обитания грызунов. Безусловно не только инфракрасная, но и обонятельная, слуховая системы змей «вынуждают» их искать засаду вблизи кустов.

Анализ, разработанный в этом исследовании служит примером того, как можно использовать преимущества современных технологий и вычислительных инструментов для оценки параметров загадочной и относительно новой сенсорной сферы.

Еще одним важным признаком для идентификации живых объектов служит движение. Поведенческие исследования показывают, что гремучие змеи с завязанными глазами преимущественно реагируют на движущиеся инфракрасные стимулы [16]. Действительно, нейроны в среднем мозге (а именно в тектуме) очень слабо реагируют на медленно движущиеся объекты и гораздо сильнее — на более быстрые [17] (рис. 8). Это может означать, что медленные или даже неподвижные объекты могут вообще не обнаруживаться инфракрасной системой змей. Действительно, гремучие змеи — хищники, поджидающие добычу в засаде. Неподвижные объекты в основном не имеют значения как пищевой ресурс и не стимулируют инфракрасные рецепторы. Таким образом, инфракрасная сенсорная система может отличать инфракрасные сигналы от тепловых помех.

Гремучие змеи также используют свою инфракрасную систему для поиска теплых мест для терморегуляции [18]. При этом змеи совершают сканирующие движения головой и тем самым создают относительное движение между теплыми объектами и рецепторами [16]. Хотя визуальные и инфракрасные сигналы, вероятно, анализируются отдельно, нейронная обработка теплового изображения, по-видимому, эволюционировала, став удивительно похожей на механизм работы сетчатки (рис. 9).

Куда двигаться дальше и зачем?

Знакомство с этой удивительной сенсорной системой помогает нам лучше понять уникальные экологические, эволюционные, физиологические и поведенческие особенности рептилий. Кроме того, это может быть интересно и с практической точки зрения. Так, например, анализ и понимание принципа функционирования инфракрасной системы может помочь в будущих подходах к разработкам биомиметических инструментов, таких как микрочипы, имитирующие датчики.

Литература

1. Hannes A. Schraft, George S. Bakken, Rulon W. Clark. (2019). Infrared-sensing snakes select ambush orientation based on thermal backgrounds. Sci Rep. 9;
2. R.C. Goris, S. Terashima. (1976). The Structure and Function of the Infrared Receptors of Snakes. Progress in Brain Research. 159-170;
3. Tobias Kohl, Samantha E. Colayori, Guido Westhoff, George S. Bakken, Bruce A. Young. (2012). Directional sensitivity in the thermal response of the facial pit in western diamondback rattlesnakes (Crotalus atrox). Journal of Experimental Biology. 215, 2630-2636;
4. L. R. Stanford, P. H. Hartline. (1984). Spatial and temporal integration in primary trigeminal nucleus of rattlesnake infrared system. Journal of Neurophysiology. 51, 1077-1090;
5. Elena O. Gracheva, Nicholas T. Ingolia, Yvonne M. Kelly, Julio F. Cordero-Morales, Gunther Hollopeter, et. al.. (2010). Molecular basis of infrared detection by snakes. Nature. 464, 1006-1011;
6. Kenneth V. Kardong, Herman Berkhoudt. (1999). Rattlesnake Hunting Behavior: Correlations between Plasticity of Predatory Performance and Neuroanatomy. Brain Behav Evol. 53, 20-28;
7. Peter H. Hartline, Leonard Kass, Michael S. Loop. (1978). Merging of Modalities in the Optic Tectum: Infrared and Visual Integration in Rattlesnakes. Science. 199, 1225-1229;
8. Maximilian S. Bothe, Harald Luksch, Hans Straka, Tobias Kohl. (2019). Neuronal Substrates for Infrared Contrast Enhancement and Motion Detection in Rattlesnakes. Current Biology. 29, 1827-1832.e4;
9. Eric A. Newman, Peter H. Hartline. (1982). The Infrared “Vision” of Snakes. Sci Am. 246, 116-127;
10. Maximilian S. Bothe, Harald Luksch, Hans Straka, Tobias Kohl. (2018). Synaptic convergence of afferent inputs in primary infrared-sensitive nucleus (LTTD) neurons of rattlesnakes (Crotalinae) as the origin for sensory contrast enhancement. Journal of Experimental Biology;
11. H K. Hartline, Henry G Wagner, Floyd Ratliff. (1956). INHIBITION IN THE EYE OF LIMULUS. Journal of General Physiology. 39, 651-673;
12. H. B. Barlow, R. Fitzhugh, S. W. Kuffler. (1957). Change of organization in the receptive fields of the cat's retina during dark adaptation. The Journal of Physiology. 137, 338-354;
13. Bruno F. Simões, Filipa L. Sampaio, Ellis R. Loew, Kate L. Sanders, Robert N. Fisher, et. al.. (2016). Multiple rod–cone and cone–rod photoreceptor transmutations in snakes: evidence from visual opsin gene expression. Proc. R. Soc. B.. 283, 20152624;
14. Yang Liu, Qin Chen, Theodore J. Papenfuss, Fang Lu, Yezhong Tang. (2016). Eye and pit size are inversely correlated in crotalinae: Implications for selection pressure relaxation. Journal of Morphology. 277, 107-117;
15. Qin Chen, Yang Liu, Steven E. Brauth, Guangzhan Fang, Yezhong Tang. (2017). The thermal background determines how the infrared and visual systems interact in pit vipers. Journal of Experimental Biology. 220, 3103-3109;
16. J. Ebert, G. Westhoff. (2006). Behavioural examination of the infrared sensitivity of rattlesnakes (Crotalus atrox). J Comp Physiol A. 192, 941-947;
17. Felix Kaldenbach, Horst Bleckmann, Tobias Kohl. (2016). Responses of infrared-sensitive tectal units of the pit viper Crotalus atrox to moving objects. J Comp Physiol A. 202, 389-398;
18. Aaron R. Krochmal, George S. Bakken. (2003). Thermoregulation is the pits: use of thermal radiation for retreat site selection by rattlesnakes. Journal of Experimental Biology. 206, 2539-2545;
19. George S. Bakken, Aaron R. Krochmal. (2007). The imaging properties and sensitivity of the facial pits of pitvipers as determined by optical and heat-transfer analysis. Journal of Experimental Biology. 210, 2801-2810;
20. Qin Chen, Huanhuan Deng, Steven E. Brauth, Li Ding, Yezhong Tang. (2012). Reduced Performance of Prey Targeting in Pit Vipers with Contralaterally Occluded Infrared and Visual Senses. PLoS ONE. 7, e34989;
21. Almut Kelber. (2019). Infrared Imaging: A Motion Detection Circuit for Rattlesnake Thermal Vision. Current Biology. 29, R403-R405.