Исследование: рыбы данио-рерио умнее, чем считалось

Новое исследование MIT и Гарвардского университета показывает, что мозг казалось бы простых рыб данио-рерио более сложен, чем предполагалось. Учёные обнаружили, что личинки данио-рерио могут использовать визуальную информацию для создания трёхмерных карт своего физического окружения — способность, которую учёные не считали возможной.

В ходе исследования выяснилось, что данио-рерио могут обходить препятствия в среде при побеге от хищника. Результаты показывают, что эти рыбы «гораздо умнее, чем мы думали», и их можно использовать как модель для изучения многих аспектов зрительного восприятия у человека.

Картирование окружения

С 1970-х годов данио-рерио используют для изучения различных человеческих болезней, включая рак, сердечно-сосудистые заболевания и диабет.

Три года назад команда показала, что данио-рерио могут точно предсказывать траекторию добычи. Во время того исследования учёный случайно уронил чашку с личинками рыб и заметил, что они мгновенно разбежались в разные стороны. Это навело на вопрос: был ли их путь побега случайным и повлияют ли на него препятствия?

Способность обнаруживать препятствия требует интеграции нескольких типов сенсорной информации и её использования для расчёта положения препятствия относительно собственного положения в пространстве. Ранее считалось, что более простые организмы, такие как данио-рерио, на это не способны.

Чтобы проверить, могут ли рыбы создавать ментальные репрезентации 3D-окружения, была создана экспериментальная установка, где рыбе нужно было избегать препятствия, блокирующего один из путей побега.

Каждую рыбу помещали в круглую чашку диаметром около 12 сантиметров. Когда металлический стержень падал на чашку, создавая громкий звук, рыба немедленно уплывала. Сначала учёные показали, что при отсутствии барьеров рыба случайно выбирала путь влево или вправо.

Затем исследователи помещали пластиковый барьер высотой 12 миллиметров, блокирующий один из путей. Когда барьер был на месте, рыбы почти всегда выбирали для побега направление без барьера, при условии достаточного освещения. Более того, рыбы чаще пытались избежать барьеров, когда те были ближе, что говорит об их способности вычислять расстояние до препятствий.

Время реакции рыб — около 10 миллисекунд — указывает, что животные должны «предварительно вычислять» карту расположения барьера до того, как услышат звук. Проведение визуальной информации от сетчатки к мозгу у данио-рерио занимает около 60 миллисекунд, что исключает возможность проверки на препятствия после звука.

Моделирование мозга

Такое поведение «предварительного картирования» наблюдалось у грызунов и других млекопитающих, но не у более простых позвоночных. Открытие у данио-рерио открывает новый путь для изучения того, как мозг создаёт модели мира.

Поскольку мозг данио-рерио меньше и проще, чем у млекопитающих, его легче визуализировать и манипулировать им вплоть до уровня отдельных нейронов. Ранее была идентифицирована одна пара нейронов — нейроны Маутнера, — которые, по-видимому, опосредуют реакцию рыбы на звук. Эксперименты с нейронными цепями в этом исследовании показали, что визуальный сигнал о барьере возбуждает нейрон Маутнера, который вызывает побег от барьера.

Теперь исследователи планируют изучить, какая часть мозга данио-рерио кодирует репрезентации восприятия глубины. Учёные уже хорошо представляют, как и где мозг млекопитающих картирует двумерное пространство (в верхнем холмике, который аналогичен области мозга данио-рерио — оптическому тектуму), но как добавляется третье измерение глубины, плохо понятно.

Также есть надежда, что новые результаты помогут убедить некоторых когнитивных и системных нейробиологов, считающих данио-рерио слишком простыми, рассматривать их как модель с потенциалом для интеграции многих подходов, которые сейчас используют для изучения мозга.