Летучие мыши в воздухе общаются просто
Исследователи из Университета Цинциннати предполагают, что «разговоры» летучих мышей могут быть не слишком содержательными.
Эхо, получаемое летучими мышами, настолько простое, что звуковой файл их сигналов можно сжать на 90%, почти не теряя информации. Об этом говорится в исследовании, опубликованном в журнале PLOS Computational Biology.
Работа показывает, как летучие мыши эволюционировали, чтобы полагаться на избыточность в своем навигационном «языке». Это помогает им ориентироваться в сложном трёхмерном мире.
«Если вы можете принимать решения, имея мало информации, всё становится проще. Это хорошо, потому что вам не нужен сложный нейронный аппарат для обработки и хранения этой информации», — говорит соавтор исследования Дитер Вандерэлст.
Учёные предположили, что сигналы летучих мышей содержат избыточную информацию, и что мыши могут использовать эффективные стратегии кодирования для извлечения наиболее релевантной информации из эха. Многие естественные стимулы, с которыми сталкиваются животные, обладают высокой избыточностью. Эффективное нейронное кодирование сохраняет важную информацию, сокращая эту избыточность.
Для проверки гипотезы они создали собственное устройство — «летучую мышь на палке». Это установленный на штативе прибор, испускающий звуковой импульс в диапазоне от 30 до 70 килогерц (частотный диапазон многих летучих мышей). Для сравнения, человеческая речь обычно находится в диапазоне 125–300 герц (0.125–0.3 кГц).
Было записано более 1000 эхо-сигналов в различных условиях: в сарае, в комнатах разного размера, среди кустов, ветвей деревьев и в саду.
Исследователи преобразовали записи эха в график звука — кохлеограмму. Затем эти графики были обработаны 25 фильтрами, что по сути сжало данные. Они обучили нейронную сеть (компьютерную систему, смоделированную по принципу человеческого мозга) определять, содержат ли отфильтрованные графики достаточно информации для выполнения ряда задач на основе сонара, которые, как известно, выполняют летучие мыши.
Оказалось, что нейронная сеть правильно определяла местоположение источника эха, даже когда кохлеограмма была лишена до 90% исходных данных.
«Это говорит нам о том, что можно сжать эти данные и всё равно выполнить нужную задачу. Это также означает, что если ты летучая мышь, ты можешь делать это эффективно», — пояснил Вандерэлст.
Эволюционный биолог Грейс Смит-Видорр, не участвовавшая в исследовании, отметила, что его результаты показывают: большая сложность не всегда является лучшим решением.
«Сложность, порождающая избыточность, может быть использована для создания более простых представлений звуков, что может быть ключом к эффективной когнитивной обработке», — сказала Смит-Видорр.
Она добавила, что можно ожидать разной степени избыточности в сигналах видов, обитающих в разных социальных или физических условиях (от групп в несколько особей до колоний в миллион особей).
Вандерэлст отметил, что часто можно понять, что делает летучая мышь, просто слушая её крики:
«Если она кричит чаще — она что-то ищет. Если крики редкие — она летит в крейсерском режиме или изучает что-то далёкое».
Летучие мыши производят ультразвуковые сигналы с помощью гортани, похожей на человеческую. Но их голосовой аппарат способен сокращаться 200 раз в секунду, что делает его самой быстрой известной мышцей среди млекопитающих.
Вандерэлст также провёл параллель с человеческим языком, который тоже обладает большой встроенной избыточностью:
«Уберите много букв в предложении, и оно всё равно будет читаемым».
Ведущим автором исследования стал аспирант Адарш Читрадурга Ачута. Соавторами выступили научный руководитель Вандерэлста Герберт Переманс и эксперт по летучим мышам Уве Фирцлафф.
«То, как летучие мыши воспринимают мир, увлекательно как с биологической, так и с инженерной точек зрения. Это как загадка: смотришь на что-то, что, казалось бы, не должно уметь делать то, что делает. Вопрос — как? Это дало мне понимание элегантной эффективности, лежащей в основе этой системы», — заключил Вандерэлст.