Как летучая мышь воспринимает пространство
Впервые записи активности мозга эхолоцирующих летучих мышей позволили исследователям понять, как млекопитающие воспринимают трёхмерное пространство.
Обучив мышей летать среди препятствий в комнате и терпеливо сидеть на платформе, команда исследователей, финансируемая Национальным научным фондом (NSF), смогла интерпретировать, как животные используют эхолокацию — систему навигации с помощью высокочастотных звуков, которую мыши применяют для охоты. Результаты были представлены на ежегодной встрече Общества нейронауки.
Исследователи сосредоточились на конкретной области мозга мыши — среднем мозге (верхнем холмике). У всех млекопитающих есть верхний холмик, и он играет роль в «ориентировочном поведении», то есть в том, как вид перемещается в пространстве. Для людей это означает использование визуальных сигналов. Для летучих мышей — акустических, то есть эхолокации.
Летучие мыши направляют свой звуковой луч, чтобы исследовать объекты в окружающей среде, подобно тому, как приматы двигают глазами, чтобы видеть, — сказала Синтия Мосс из Университета Джонса Хопкинса. Её лаборатория Batlab провела это исследование.
Почему именно летучие мыши?
«Они дают огромное преимущество перед другими млекопитающими, потому что используют активную сенсорную систему, которая даёт нам прямой доступ к информации, которую они используют для управления своим поведением», — пояснила Мосс.
Её команда создала «эхо-модель», которая вычисляет, как мышь получает и обрабатывает все эти сигналы. Они оборудовали комнату 20×20 футов микрофонами (для записи всех звуков мыши) и высокоскоростными инфракрасными камерами, чтобы фиксировать положение мыши и направление её сонарных вокализаций. Эхо-модель учитывает время издаваемого зова, время возврата эха и направление этого эха в пространстве.
В сочетании с нейронными записями из верхнего холмика среднего мозга — полученными от мыши, обученной ждать на платформе, чтобы получить награду в виде мучного червя, — это позволило команде понять, как мыши представляют 3D-пространство в своём мозге. Их записи отбирали активность отдельных нейронов, определяя задачу каждого (например, фиксировать, далеко объект или близко).
Это исследование впервые позволило учёным понять, как эхолокация работает на нейронном уровне у свободно летающей мыши.
Практическое значение
Лучшее понимание эхолокации может помочь усовершенствовать беспилотные летательные аппараты и другие технологии, использующие сонар. Оно также может помочь незрячим людям лучше ориентироваться в мире, «если они смогут использовать те же правила, что и летучие мыши».
Кроме того, это помогает понять, как млекопитающие в целом осмысливают своё окружение.
«Летучие мыши получают множество сложной информации. Когда вы объединяете всю эту сложную информацию, вам нужно выделить то, что важно. Система летучих мышей очень хороша для этого. Когда они издают звук, эхо возвращается со всего окружающего мира. Им нужно выбрать то одно эхо, которое для них важно. Так что это также даёт нам хорошее представление о том, как в мозге происходит сенсомоторная интеграция для выделения конкретного стимула в окружающем мире», — отметил один из исследователей.