13.08.2018

Тройничный нерв играет определяющую роль в магнитной навигации птиц

Известно, что мигрирующие птицы используют информацию о магнитном поле для определения своего местоположения. Однако какие магнитосенсорные системы при этом задействуются? Это выяснила команда российских и немецких ученых, показав, что навигационная магнитная информация передается по глазничной ветви тройничного нерва. Для этого ученые провели эксперименты по виртуальному смещению в магнитном поле на двух группах тростниковых камышевок. Птицы с интактной глазничной ветвью тройничного нерва компенсировали свое смещение, а птицы с перерезанным в ходе операции нервом продолжали ориентироваться в прежнем направлении.

Несмотря на долгую историю изучения, механизмы ориентации и навигации у птиц до сих пор во многом непонятны. Известно, что для ориентации на путях миграций птицы используют солнечный, звездный и магнитный компасы, для навигации — магнитную и ольфакторную (основанную на обонянии) карты (подробнее см. Н. С. Чернецов, 2016. Ориентация и навигация мигрирующих птиц). Каким образом птицы воспринимают магнитное поле и ориентируются по нему — пожалуй, самый дискуссионный вопрос. Ответ на него ищут ученые, проводящие исследования на Биологической станции «Рыбачий» ЗИН РАН (Калининградская область). Недавно они показали, что у тростниковых камышевок (Acrocephalus scirpaceus) — певчих птиц, мигрирующих по ночам, — есть способность использовать магнитную карту во время миграций на дальние расстояния, подобно морским черепахам, тритонам, лососевым рыбам и угрям. Для этого птицы определяют магнитное склонение — разницу между направлениями на географический и геомагнитный север (N. Chernetsov et al., 2017. Migratory Eurasian reed warblers can use magnetic declination to solve the longitude problem).

Но какую магнитосенсорную систему используют ночные мигранты для навигации по магнитной карте? На нескольких видах перелетных птиц показано, что магнитная информация поступает в мозг по глазничной ветви тройничного нерва (см. например D. Elbers et al., 2017. Magnetic activation in the brain of the migratory northern wheatear (Oenanthe oenanthe)). Тройничный нерв — это пятая пара черепных нервов, он смешанный, то есть содержит чувствительные и двигательные ядра и волокна. Чувствительная часть иннервирует кожные рецепторы лица, клюва и нёба. Глазничная ветвь иннервирует глазные яблоки, веки, слезные железы и носовую полость.

Тростниковые камышевки могут определять направление запад — восток. Это было показано в эксперименте, в ходе которого птиц перевезли на 1000 км восточнее места отлова (D. Kishkinev et al., 2013. Migratory reed warblers need intact trigeminal nerves to correct for a 1,000 km eastward displacement). Некоторым из них при этом сделали хирургическую операцию — перерезали глазничные ветви тройничного нерва. Такие птицы не смогли сориентироваться и продолжали пытаться полететь в том же направлении, как если бы их никуда не перевозили, — в отличие от птиц с интактной ветвью, которые изменили направление миграции. Логично предположить, что птицы осуществляют навигацию с помощью магнитной информации, передаваемой по глазничной ветви тройничного нерва. Но при физическом перемещении птиц меняются все источники информации, которые можно использовать для навигации: астроориентиры, магнитное поле, запахи, ландшафт. И нельзя сказать точно, какую именно навигационную информацию не может передать в мозг пересеченный тройничный нерв. Поэтому для проверки гипотезы необходимо провести эксперименты по виртуальному смещению птиц, где единственным изменяемым параметром будет магнитное поле. Чем и занялись ученые в новой работе.

Для этого авторы отловили 49 тростниковых камышевок во время весенней миграции в Калининградской области и протестировали в поселке Рыбачий (Куршская коса, Калининградская область). Птицы содержались в клетках, расположенных внутри магнитных колец системы Мерритта (Merritt coil system, см., например, Q. Cao et al., 2018. Optimization of a Coil System for Generating Uniform Magnetic Fields inside a Cubic Magnetic Shield). Эта конструкция позволяет создавать в некотором объеме равномерное магнитное поле, а также точно и стабильно изменять его параметры. Если в период сезонной миграции птицам не давать лететь (например, держать их в клетках), то они все равно пытаются следовать позывам природы: раз лететь нельзя, то они прыгают по клетке преимущественно в том направлении, в котором надо лететь. Направление такого ночного миграционного беспокойства птиц можно фиксировать при помощи конуса Эмлена. Это приспособление представляет собой перевернутый усеченный конус, внутренние стенки которого покрыты пленкой с побелкой. Птица, повинуясь инстинктам, прыгает в направлении миграции, оставляя следы на пленке. Клетка, в которой находились птицы, и конус Эмлена обеспечивали им свободный доступ ко всем способам навигации помимо магнитного поля: Солнцу и звездам, запахам и ориентирам на местности. Тесты в конусе Эмлена проводились в ясные ночи.

Сначала птиц тестировали в естественном магнитном поле поселка Рыбачий. Камышевки ориентировались на северо-восток, что соответствует основному направлению их сезонной миграции: по данным кольцевания, тростниковые камышевки мигрируют через Рыбачий к местам гнездования на северо-восток — в страны Балтики, Финляндию и на северо-запад России.

После этого птицы были разделены на две группы. Птицам одной группы в ходе хирургического вмешательства рассекли глазничные ветви тройничного нерва с обеих сторон. В другой группе были проделаны схожие операции, но нерв перерезан не был (ложная операция проводилась для того, чтобы убедиться, что сама по себе операция не мешает птицам ориентироваться). Важно отметить, что до окончания всех тестов экспериментатор не знал, птицу из какой группы он тестирует, чтобы исключить предвзятую оценку результатов.

Через 3–7 дней после операции ученые провели эксперименты по виртуальному смещению птиц, изменяя параметры магнитного поля в кольцах системы Мерритта. Экспериментаторы выставляли параметры магнитного поля, соответствующие Звенигороду в Подмосковье, в 1000 км на восток от реального положения. Затем птицы опять тестировались в конусах Эмлена.

Птицы с интактной глазничной ветвью тройничного нерва компенсировали виртуальное смещение в Звенигород, ориентируясь на северо-запад. Птицы с перерезанным нервом не меняли своей ориентации, то есть продолжали двигаться на северо-восток. Таким образом, несмотря на неизменность остальных параметров, необходимых для ориентации, птицы с интактным нервом использовали для определения местоположения именно параметры магнитного поля.

Значит, глазничная ветвь тройничного нерва несет по крайней мере часть информации о магнитной карте, которая необходима птицам для определения ориентации относительно цели.

Другие объяснения того, почему птицы с перерезанной глазничной ветвью не компенсируют смещение в магнитном поле, крайне маловероятны. Например, можно было бы предположить, что перерезание глазничной ветви блокирует программированное изменение миграционной ориентации, заложенное в генах. Но такое изменение характерно для молодых птиц во время первой миграции, а в экспериментах участвовали взрослые птицы. Также у тростниковых камышевок в природе не наблюдается поворота с северо-востока на северо-запад. Кроме того, неизвестно, как перерезание глазничной ветви мешает врожденной программе миграции, используемой птицами весной, кроме того, что оно блокирует прием магнитной информации. Также можно было бы предположить, что перерезание ветви нерва вызывает боль, и она мешает птицам использовать навигационную карту. Но это маловероятно, так как испытывающие боль птицы не проявляют ночного миграционного беспокойства, которая фиксируется с помощью конуса Эмлена.

Для определения долготы птицы используют магнитное склонение, которое определяют с помощью магнитного, солнечного и звездного компасов. Поэтому данные описанных экспериментов доказывают, что для работы магнитной карты требуется информация о магнитном поле, поступающая одновременно и из тройничного нерва, и визуально.

Получается, что глазничная ветвь тройничного нерва иннервирует магнитные рецепторы и эти рецепторы обеспечивают ключевую часть информации, необходимой для навигации по магнитной карте у дальнедистантных ночных мигрантов. Таким образом, теперь задача будущих исследований — поиск этих магнитных рецепторов.

Подготовлено по материалам: Alexander Pakhomov, Anna Anashina, Dominik Heyers, Dmitry Kobylkov, Henrik Mouritsen & Nikita Chernetsov. Magnetic map navigation in a migratory songbird requires trigeminal input // Scientific Reports. 10 August 2018. doi.org/10.1038/s41598-018-30477-8.

Юлия Михневич

Источники:

1. elementy.ru