ИСТИНА

Миниатюризация у животных может приводить к значительным перестройкам почти всех систем органов, она сопровождается как значительным упрощением части из них, так и инновационными адаптациями, которые позволяют обойти ограничения, налагаемые законами масштабирования (Polilov, 2015, 2016). Особое место занимает строение мозга микронасекомых, как пример уникальной консервативности. Не смотря на миниатюрные размеры, значительное изменение формы, смещение в грудной отдел и асимметрию, которые наблюдаются у многих микронасекомых, их мозг сохраняет сложную модульную организацию, характерную для крупных представителей родственных групп (Макарова, Полилов, 2013а,б; Макарова, Полилов, 2017а,б). Число нейронов у микронасекомых на один-два порядка меньше, чем у крупных насекомых, но даже у самых мелких насекомых не менее 7 000 клеток в мозге (Polilov, 2015; Polilov, Makarova, 2017). Несмотря на то, что размер мозга тесно связан с его производительностью через количество нейронов и их связи (Striedter, 2005; Chittka and Niven, 2009), а различия в размере мозга и числе нейронов могут лежать в основе различий в когнитивных способностях насекомых (Dicke and Roth, 2016), для паразитических наездников показана способность к ассоциативному обучению и формированию долговременная памяти (Hoedjes et al., 2012; Hoedjes, Smid, 2014, Woude et al., 2018 и др.). Нашей группой также были впервые продемонстрированы способности к ассоциативному обучению у микрожесткокрылых (Polilov et al., 2019). Таким образом мозг миниатюрных насекомых может служить примером миниатюризации сложнейшей конструкции с сохранением функций, и может стать идеальной моделью для изучения строения и работы мозга животных. Отдельное место среди микронасекомых занимает одно из мельчайших насекомых –Megaphragma (Hymenoptera: Trichogrammatidae), у трех видов которого были обнаружены безъядерные нейроны и описано уникальное явление лизиса тел и ядер 95% всех клеток мозга на поздних стадиях куколочного развития (Polilov, 2017). Изучение строения и ультраструктуры мозга Megaphragma имеет большое значение для понимания принципов организации мозга животных. Также для Megaphragma характерно наименьшее число клеток в нервной системе из всех изученных насекомых, что может сделать ее мозг уникальным модельным объектом для изучения нейронных сетей. Вопрос о работоспособности мозга с безъядерными нейронами представляет фундаментальный интерес для понимания физиологии нервной деятельности и механизмов памяти. В рамках этого проекта мы планируем провести комплексное изучение строения и работы мозга мельчайших насекомых уделяя особое внимание уникальному мозгу Megaphragma. Будет впервые изучено строения и ультраструктурная организация мозга имаго Megaphragma с применением самых современных микроскопических техник, проведен количественный и качественный анализ клеток мозга и его функциональных зон, исследовано развитие мозга и процесс лизиса ядер, проведены эксперименты по изучению способности к ассоциативному обучению Megaphragma на разработанной ними установке для этологических экспериментов с микронасекомыми. Так же планируется провести сравнительное изучение мозга представителей того же семейства с ядросодержащими нейронами (Trichogrammatidae: Trichogramma) и представителей других групп мельчайших насекомых (Coleoptera: Ptiliidae; Hymenoptera: Mymaridae). Изучение структурной и ультраструктурной организации мозга микронасекомых, насчитывающего всего несколько тысяч нейронов, и при этом обладающих сложными формами поведения и даже способностью к обучению представляет большой интерес для нейробиологии и бионики. Результаты проекта станут фундаментальным вкладом в понимание природы, ультраструктуры и функционирования мозга микронасекомых, как уникальной и совершенной модели миниатюрной комплексной системы, способной послужить основой для инновационных научно-технических разработок по созданию прототипов искусственных нейронных сетей.

Miniaturization in animals can lead to significant alterations of almost all organ systems, and accompanied by a significant simplification of some of them, as well as innovative adaptations that allow to bypass the restrictions imposed by the scaling laws (Polilov, 2015, 2016). The structure of the brain of microinsects, as an example of unique conservatism, is of a particular interest. Despite the miniature size, significant change in shape, displacement in the thoracic region and asymmetry, which are observed in many microinsects, their brains retain the same complex modular organization that can be found in large representatives of related groups (Makarova, Polilov, 2013a, b; Makarova, Polilov, 2017a b) The number of neurons in microinsects is one-two orders of magnitude smaller than in large insects, but even in the smallest insects there are at least 7,000 cells in the brain (Polilov, 2015; Polilov, Makarova, 2017). Although the size of the brain is closely related to its performance through the number of neurons and their connections (Striedter, 2005; Chittka and Niven, 2009), variation in brain size and the number of neurons may underlie differences in insect cognitive abilities (Dicke and Roth, 2016). The ability to associative learning and the formation of long-term memory was shown in parasitic wasps (Hoedjes et al., 2012; Hoedjes, Smid, 2014, Woude et al., 2018, etc.). Our group also demonstrated for the first time the ability to associative learning in microcoleopterans (Polilov et al., 2019). Thus, the brain of miniature insects can serve as an example of the miniaturization of a complex structure with preservation of functions, and can be an ideal model for studying the structure and work of the brain of animals. A special place among microinsects belongs to Megaphragma (Hymenoptera: Trichogrammatidae) one of the smallest insects, which evolve anucleate neurons. A unique phenomenon of lysis of bodies and nuclei of 95% of all brain cells in the late pupal development was described in three species of the genus Megaphragma (Polilov, 2017). The study of the structure and ultrastructure of the Megaphragma brain is of great importance for understanding the principles of the organization of the animals brain. Megaphragma is also characterized by the smallest number of cells in the nervous system of all studied insects, which can make its brain a unique model object for studying neural networks. The question of the performance of the brain with anucleate neurons is of fundamental interest for understanding the physiology of nervous activity and memory mechanisms. Within the framework of this project, we plan to conduct a comprehensive study of the structure and the brain performance of the smallest insects with particular attention to the unique brain of Megaphragma. For the first time, the structural and ultrastructural organization of adult Megaphragma brain will be studied using the most modern microscopic techniques, quantitative and qualitative analysis of brain cells and its functional areas will be carried out. Brain development and nuclear lysis will be studied. Experiments on Megaphragma’s associative training will be studied and compared with ethological experiments on microinsects. A comparative study of the brain of representatives of the same family with nucleate neurons (Trichogrammatidae: Trichogramma) and representatives of other groups of the smallest insects (Coleoptera: Ptiliidae; Hymenoptera: Mymaridae) will be done. The study of the structural and ultrastructural organization of the microinsect brain, which has only a few thousand neurons, and at the same time has complex forms of behavior and even the ability to learn, is of great interest to neurobiology and bionics. The results of this project will be a fundamental contribution to understanding the nature, ultrastructure and functioning of the microinsect brain, as a unique and perfect model of a miniature integrated system that can serve as the basis for innovative scientific and technical developments in the creation of prototypes of artificial neural networks.

В ходе выполнения проекта будет проведено комплексное изучение строения и ультраструктурной организации мозга одного из мельчайших летающих насекомых обладающего безъядерными клетками нервной системы – Megaphragma amalphitanum (Hymenoptera: Trichogrammatidae). Особое внимание будет уделено изучению модульной организации нейропилярных центров мозга и оценке их относительного объема. Изучение масштабирования нейропилярных центров и сопоставление данных по клеточному составу мозга других Trichogrammatidae, позволит более детально выделить уровень пластичности клеточных тел и нейропиля. На базе полной серии срезов головы Megaphragma, сделанной на двухлучевом ионно-электронном микроскопе (FIB-SEM) с разрешением 8 нм на пиксель по всем xyz измерениям будет впервые проведено картирование имеющихся ядер мозга Megaphragma с реконструкцией их волокон в соответствующие нейропилярные центры мозга. Данный анализ позволит оценить процентный вклад и функциональность ядер для того или иного клеточного кластера мозга Megaphragma. Также будут выполнены трехмерные реконструкции ядросодержащих и безъядерных клеток с волюметрической оценкой субклеточных компонентов. Исходя из данных, полученных при трассировке волокон, и данных о синаптических связях, будет проанализирована функциональная характеристика сохранившихся клеточных кластеров. Полученные морфологические данные будут иметь большое фундаментальное значение для понимания природы и функционирования безъядерных нервных систем, и могут стать основой для формирования новых направлений исследований в нейромоделировании. С использованием современных методов электронной микроскопии и дифференциального окрашивания будет исследовано уникальное явление лизиса 95% ядер и тел клеток мозга в ходе куколочного развития у Megaphragma. Будет проведен волюметрический анализ имеющихся нейропилярных центров и количественный клеточный анализ на разных куколочных стадиях Megaphragma. В качестве сравнительного материала будет проведена трехмерная реконструкция мозга и модульных центров куколок и имаго рода Trichogramma. Масштабный количественный анализ клеточного состава у родственных перепончатокрылых сходного размерного класса позволит получить интересные данные о стадиях масштабирования мозга. Для обобщения данных по микронасекомым будет исследована модульная организация мозга имаго родственного семейства Mymaridae, а также мельчайших жесткокрылых из семейства Ptiliidae. Исследование структурной организации мозга мельчайших насекомых позволит получить новые данные о принципах масштабирования нервных центров у разных групп насекомых, определить характер связи между биологией вида и степенью развитием сенсорной модальности и дополнить факторы, лимитирующие миниатюризацию мозга у насекомых. Отдельной задачей проекта, не имеющей аналогов в мировой науке, является проведение серии экспериментов по изучению способности микронасекомых к ассоциативному обучению на основе зрительных стимулов, с использованием уникальной установки, разработанной в нашей лаборатории. Пилотные эксперименты на микрожесткокрылых и трипсах показали успешность данного подхода. Изучение способности микронасекомых к обучению, в том числе насекомого с безъядерными нейронами, даст принципиально новые данные для понимания принципов работы мозга и механизмов памяти. Будет проведен масштабный сравнительный анализ волюметрических параметров мозга микронасекомых, с упором на особенности масштабирования ключевых ассоциативных центров. Также будет выполнен количественный и качественный анализ клеток мозга микронасекомых, с оценкой влияния миниатюризации на число и клеточный состав функциональных зон мозга микронасекомых. Полученные результаты станут значительным вкладом в решение фундаментальных вопросов современной биологии и бионики, связанных с влиянием размеров тела на строение и функционирование нервных систем, и могут послужить теоретической базой для разработок прототипов нейронных сетей и искусственного интеллекта.

Нашей группой детально изучено строение мозга имаго миниатюрных жесткокрылых (Макарова, Полилов, 2013а), перепончатокрылых (Макарова, Полилов, 2013б), преимагинальных и имагинальных стадий миниатюрных Paraneoptera (Psocoptera: Liposcelididae (Макарова, Полилов 2017а) и Thysanoptera: Thripidae (Макарова, Полилов 2017б)). Было исследована ультраструктурная организация органов чувств у микронасекомых. Детально изучено сенсорное вооружение антенн у трех видов рода Megaphragma (Diakova et al., 2018). Показано, что миниатюризация проявляется в сильном сокращение числа сенсилл на антеннах насекомого, однако набор типов сенсилл практически не меняется. Построена трехмерная реконструкция целого сложного глаза Megaphragma. Показано, что критическое уменьшение размера тела проявляется не только в сокращении числа и размера фасеток в составе глаза, но также отражается и на числе структурных элементов омматидия (Makarova et al., 2015). Собран, зафиксирован и заключен в среду весь материал, необходимый для работы (мельчайшие свободноживущие насекомые (Ptiliidae: Scydosella musawasensis, Cylindrosella sp.) и преимагинальные стадии мельчайших паразитических насекомых (Trichogrammatidae: Megaphragma mymaripenne, M. amalphitanum, M. caribea, Trichogramma telengai, T.principium). Получена полная серия срезов головы Megaphragma amalphitanum, сделанная на двухлучевом ионно-электронном микроскопе (FIB-SEM) с разрешением 8 нм на пиксель по всем xyz измерениям. Сконструированная и собранная нами термическая арена для изучения способности к обучению у микронасекомых отвечает самым строгим требованиям, предъявляемым сегодня к оборудованию для изучения когнитивных процессов у животных. Полученные нами данные во многом являются новыми и значимыми по отношению к состоянию разработки сходных проблем за рубежом.