Расшифровка камуфляжа каракатиц

Уникальная способность каракатиц, кальмаров и осьминогов скрываться, имитируя цвета и текстуру окружающей среды, восхищает натуралистов со времен Аристотеля. В отличие от всех других животных, эти моллюски управляют своей внешностью за счет прямого воздействия нейронов на расширяющиеся "пиксели" в коже, число которых достигает миллионов. Ученые из Института исследований мозга Общества Макса Планка и Франкфуртского института перспективных исследований/Университета Гёте использовали это соответствие "нейрон-пиксель", чтобы заглянуть в мозг каракатицы и выявить предположительную структуру управляющих сетей через анализ динамики кожных узоров.

Современные колеоидные головоногие (каракатицы, кальмары, осьминоги) потеряли внешние раковины около 150 миллионов лет назад. Это сопровождалось массивным увеличением размера их мозга: у них самые большие мозги (относительно размера тела) среди беспозвоночных, сопоставимые с мозгом рептилий и некоторых млекопитающих.

Принцип управления "дисплеем"

Камуфляж контролируется прямым воздействием мозга на специализированные клетки кожи — хроматофоры, которые действуют как биологические цветные "пиксели". У каракатиц их до миллионов. Каждый хроматофор может расширяться и сокращаться, создавая локальные изменения контраста кожи. Управление происходит через моторные нейроны мозга, которые активируют крошечные радиальные мышцы, прикрепленные к хроматофору.

Косвенное "сканирование" мозга

Ученые под руководством Жиля Лорана разработали методику, позволяющую измерять активность мозга, просто и косвенно снимая "пиксели" на коже животного. Мониторинг поведения с разрешением на уровне хроматофоров позволил "визуализировать" очень большие популяции нейронов у свободно ведущих себя животных.

  • Активность моторных нейронов выводилась путем анализа деталей совместных флуктуаций хроматофоров.
  • Анализ ковариаций этих предполагаемых моторных нейронов позволил предсказать структуру более высоких уровней контроля, "заглядывая" всё глубже в мозг каракатицы через статистический анализ выходных данных её хроматофоров.

Технологический прорыв

Ключевым требованием успеха стала возможность отслеживать десятки тысяч отдельных хроматофоров параллельно со скоростью 60 высококачественных изображений в секунду, неделя за неделей, несмотря на движение, изменение узоров и рост животного.

Важным открытием стало осознание, что физическое расположение хроматофоров на коже достаточно нерегулярно, чтобы быть локально уникальным, создавая локальные "отпечатки пальцев" для сшивания изображений. Это позволило выравнивать изображения так, чтобы все хроматофоры были правильно совмещены и отслеживаемы.

Неожиданные открытия

  1. Детерминированные последовательности: При изменении внешнего вида животное проходит через очень специфическую последовательность строго определенных промежуточных узоров. Это указывает на внутренние ограничения при генерации узора, раскрывая скрытые аспекты нейронных управляющих цепей.
  2. Динамика цвета: Хроматофоры систематически меняют цвет с течением времени. Время, необходимое для этого изменения, согласовано со скоростью производства новых хроматофоров по мере роста животного, так что относительная доля каждого цвета остается постоянной.
  3. Правила морфогенеза: Наблюдение за развитием позволило вывести минимальные правила, которые могут объяснять морфогенез кожи у этого и, возможно, всех других видов колеоидных головоногих.

Значение исследования

Это исследование открывает новые возможности в нескольких областях:

Кроме того, работа открывает окно в мозг животных, чья эволюционная линия разошлась с нашей более 540 миллионов лет назад. Мозг головоногих предлагает уникальную возможность изучить эволюцию другой формы интеллекта, основанной на истории, полностью независимой от линии позвоночных на протяжении более полумиллиарда лет.

2018-10-18