Selection for action in Drosophila melanogaster

Il presente lavoro si focalizza sui meccanismi di selezione per il controllo dell’azione utilizzati da Drosophila melanogaster (D. melanogaster), anche nota come moscerino della frutta. D. melanogaster ha un ricco repertorio di comportamenti e un cervello semplice, composto di circa 100,000 neuroni, che può essere studiato con tecniche raffinate. Perciò, offre la possibilità di studiare un comportamento in una struttura cerebrale semplice rispetto a quella di organismi più complessi. Le basi neurobiologiche del suo comportamento possono essere così più facilmente comprese. Il confronto con comportamenti simili mostrarti da animali evolutivamente più lontani può fornire importanti intuizioni sui circuiti neurali sottesi. Questa tesi è stata concettualizzata per verificare se i processi di selezione per l’azione dei mammiferi potessero essere condivisi con organismi più bassi come D. melanogaster. La selezione per l’azione implica una stretta interazione tra sistema visivo e motorio che consente di scegliere uno stimolo nell’ambiente per agire su di esso. Questo processo permette di filtrare le informazioni irrilevanti per l’azione. Il primo esperimento era finalizzato a indagare se i moscerini mostrano un’attenzione basata sull’azione. Sono capaci di inibire la risposta a uno stimolo grazie a meccanismi attentivi per terminare un’azione? In particolare ho indagato se i moscerini sono inclini all’effetto d’interferenza causato dalla comparsa di uno stimolo competitivo (cioè, un distrattore). Mi aspettavo che questo meccanismo inibitorio fosse evidente nelle traiettorie spaziali. In questo studio i moscerini erano impegnati a raggiungere un target visivo (cioè, una striscia luminosa) mentre un distrattore compariva lateralmente. Il secondo esperimento mirava a estendere le conclusioni del primo esperimento. In particolare sono state considerate le distanze tra target e distrattore. L’obiettivo di questo studio era di verificare l’ipotesi che più corta è la distanza tra target e distrattore, più elevato è il livello d’inibizione. Nel terzo esperimento ho individuato l’ipotetico circuito neurale responsabile degli effetti comportamentali osservati negli esperimenti precedenti. Basandomi su crescenti evidenze in favore di un’affascinante omologia tra un neuropilo dei moscerini (il Complesso Centrale, CC) e la struttura neurale dei mammiferi implicata nella selezione dell’azione, ho testato il comportamento in moscerini con CC danneggiato. A questo scopo ho usato una tecnica basata sul sistema binario GAL4-UAS per ridurre l’espressione di specifici recettori dopaminergici in un circuito neurale molto selettivo, i cosiddetti neuroni E-PG. Inoltre, ho adottato una tecnica optogenetica per la manipolazione neurale in vivo. Ho utilizzato moscerini che esprimevano canali ionici foto-attivabili nello stesso circuito del CC per eccitare tali neuroni durante il compito. Questo circuito neurale forma una struttura a ciambella che è stata considerata un centro d’integrazione tra il sistema visivo e motorio deputato all’attenzione. Infine, nel quarto esperimento, ho caratterizzato da un punto di vista neurochimico una serie di circuiti neurali del CC. L’ipotesi era che il sistema dopaminergico implicato nel processo di selezione dell’azione nei mammiferi potesse modulare anche nei moscerini la risposta neurofisiologica all’interno del CC. Nello specifico, ho registrato in vivo la risposta neurale ad applicazioni di dopamina nel CC dei moscerini utilizzando una tecnica di bioluminescenza basata su indicatori del calcio geneticamente codificati. Nel complesso questo lavoro rappresenta un tentativo di affrontare i meccanismi di selezione per il controllo dell’azione nei moscerini. Il paradigma d’interferenza che ho sviluppato costituisce una potente piattaforma per esplorare il problema della selezione per l’azione che potrebbe essere utile al fine di chiarire processi simili in organismi più complessi.