ИСТИНА

Комплексное изучение строения и ультраструктурной организации мозга мельчайших насекомых и влияние масштабирования на способность к обучению и формированию памяти

An integrated approach to neuroanatomy, from the study of individual neurons to the reconstruction and analysis of neural networks and complete connectomes, plays a major role in modern neurobiology. The large size of the brain and the high number of neurons of the main model objects complicate this work. Microinsects, on the contrary, combine miniature size, a small number of neurons and the preservation of brain functionality, which makes them a convenient object for connectomics and other advanced neurobiological areas (Makarova et al., 2021). As part of the implementation of the previous project, it was shown that all studied microinsects retain the ability to learn and form memory, which makes them even more promising objects for neurobiological work. Also, in the completed project, it was shown that the lysis of neuronal nuclei is a more common miniaturization phenomenon, which independently developed at least twice in different families of the same order (Mymaridae and Trichogrammatidae) (Polilov et al., 2023). The studied representatives with a virtually anucleate brain retain complex forms of behavior and locomotion, indicating that anucleate neurons remain functional. This project is a logical continuation and development of the 2022 project and represents a comprehensive work in several directions, each of which is predetermined by the results of the 2022 project and is fundamentally important for understanding the influence of body size on the structure and functioning of the insect brain. The project will involve the latest morphological methods and approaches, primarily volumetric three-dimensional electron microscopy. The miniature size of our objects allows us to study them entirely with nanometer resolution (Polilov et al., 2021). A comprehensive study of the associative centers of the Megaphragma brain will be carried out, paying special attention to the structure of the neural circuits responsible for the integration of various types of visual information in the context of memory formation and the sexual dimorphism of these structures. A separate objective of the project will be to conduct experiments to study the efficiency of learning and memory in tiny parasitic wasps with a unique anucleate nervous system. An assessment will be made of changes associated with the influence of brain size and the structure of anucleate neural circuits on the efficiency of learning. According to modern concepts, gene expression is necessary for long-term plasticity of synapses, which is the basis of memory in animals, and the absence of a nucleus in neurons makes transcription impossible. In view of this, the study of the ultrastructure of anucleate neurons and the neuroarchitecture of neural networks, together with behavioral experiments to study the ability to learn and form different types of memory in insects with anucleate brains, is of fundamental interest to neurobiology, since they can provide answers to questions about the existence of unknown mechanisms for the formation and consolidation of memory in animals. The results of the project will make a significant contribution to the understanding of the structure and functioning of the animal brain, the principles of operation of anucleate neural circuits, and can be useful for applied neurobiological problems in the development of biomorphic neural networks.

На двух полных сериях срезов голов (самца и самки) Megaphragma viggianii (Hymenoptera: Trichogrammatidae), полученных с помощью двухлучевого ионно-электронного микроскопа (FIB-SEM) с изотропным разрешением 8 нм на воксель, будут выполнены детальные реконструкции ядросодержащих и безъядерных нейронов в составе грибовидных тел и центрального комплекса ассоциированных с передачей и обработкой зрительной информации. Будет проведена оценка вклада зрительной и других модальностей в формирование цепей передачи и обработки информации в грибовидных телах и центральном комплексе. А также попытка выделить дофаминергические нейроны, играющие роль в модуляции этих связей. Полученные реконструкции позволят определить характер организации нейронных цепей ответственных за формирование зрительной пространственной памяти у насекомых и предположить возможные альтернативные пути ее формирования в условиях отсутствия ядер. Изучение метаморфоза всей ЦНС M. viggianii в период куколочного развития позволит уточнить границы лизиса ядер всей ЦНС, а также проанализировать характер развития ганглиев брюшной нервной цепочки. Сравнение данных по метаморфозу ЦНС M. viggianii с данными по Trichogramma и Habrobracon позволит выделить общие тренды в масштабировании и развитии нервной системы паразитических перепончатокрылых. В рамках этологической части проекта будет продолжено изучение влияния размера тела на формирование разных типов памяти у яйцевых наездников Trichogramma telengai (Hymenoptera: Trichogrammatidae) и уточнены границы нарушения консолидированных форм памяти в условиях искусственного дизруптивного отбора. Результаты экспериментов по обучению и памяти насекомых с безъядерным мозгом внесут фундаментальный вклад в понимание нейробиологических основ памяти у животных.

Разработанный нами комплексный подход, включающий изучение строения безъядерных нервных систем и клеточной организации ключевых ассоциативных центров мозга, ассоциированных с когнитивными способностями и памятью у насекомых, наряду с этологическими экспериментами по изучению последствий генетической изменчивости относительного размера мозга на его морфологию, позволили получить ответы на фундаментальные вопросы, связанные с влиянием миниатюризации на жизнедеятельность организмов. Изучение влияния миниатюризации на нейроанатомию и эффективность работы мозга микронасекомых включало четыре направления: 1) изучение строения и ультраструктурной организации мозга новых объектов c безъядерной нервной системой; 2) сравнительный аллометрический анализ ассоциативных центров мозга у широкого круга паразитических перепончатокрылых; 3) изучение ультраструктуры нейронов и анализ строения нейронных связей ассоциативных центров мозга Megaphragma viggianii; 4) изучение влияния размера тела на способность к формированию памяти у Trichogramma telengai и анализ количественных характеристик мозга.