Летучие мыши подтверждают гипотезу временного связывания и могут помочь технологиям
Новое исследование, опубликованное в Journal of Experimental Biology, предоставляет убедительные доказательства в пользу нейробиологической гипотезы о том, как люди и животные фокусируются на отдельных объектах в перегруженной среде. Ключевые данные получены из изучения того, как летучие мыши «видят» с помощью ушей. Этот процесс восприятия может также улучшить технологии сонара и радара.
Летучие мыши демонстрируют удивительную способность отслеживать добычу, например насекомых, среди деревьев в полной темноте. Профессор нейробиологии Университета Брауна Джеймс Симмонс, автор обзорной статьи, давно ищет объяснение этому феномену.
Эксперименты в его лаборатории указывают на гипотезу временного связывания. Согласно ей, объект выделяется из фона, когда набор нейронов в мозге, настроенных на его признаки, отвечает синхронно, как бы крича в унисон: «Да, смотри сюда!». Если нейроны не отвечают вместе, объект отходит на перцептивный задний план.
Поскольку летучие мыши остро нуждаются в отслеживании добычи в сложной обстановке (с помощью эхолокации, а не зрения), они стали идеальной моделью для проверки этой гипотезы.
Фокус на частотах
Вот как, по данным Симмонса, работает временное связывание у летучих мышей. В полёте мышь испускает два спектра звуковых частот — высокий и низкий — в широкий конус пространства перед собой. В спектрах присутствуют гармонические пары высоких и низких частот (например, 33 кГц и 66 кГц). Эти пары отражаются от объектов и возвращаются к ушам мыши, запуская реакцию нейронов в её мозге. Объекты, которые отражают эти гармонические пары в идеальной синхронности, выделяются для мыши наиболее чётко.
Однако многие объекты могут отражать одинаковые частоты одновременно. Ключ к выделению цели — в физике звуковых волн эхолокации и эволюции мозга мышей для их обработки.
- Высокочастотные звуки в спектре быстрее ослабевают в воздухе, чем низкочастотные.
- Низкие частоты мышь посылает на более широкий угол, чем высокие.
Следовательно, чем дальше или периферийнее объект, тем слабее будет высокочастотное отражение в гармонической паре. Мозг мыши преобразует эту разницу в силе сигнала во временную задержку (около 15 микросекунд на децибел). Из-за этого гармонические пары с большой разницей в силе сигнала воспринимаются как сильно рассинхронизированные во времени. Гипотеза предсказывает, что такие удалённые или периферийные объекты будут восприняты как фон, а объекты в центре, отражающие обе гармоники с равной силой, будут чётко выделяться.
Экспериментальное подтверждение
При поддержке, в том числе, ВМС США, группа Симмонса экспериментально это подтвердила. В ключевых экспериментах (некоторым 40 лет) больших бурых ночниц помещали в основание Y-образной платформы с двумя объектами на «рогах» Y (цель с наградой и объект-помеха).
- Когда объекты были на разном расстоянии, мышь отличала их и точно подползала к цели.
- Когда объекты были на равном расстоянии, мышь путалась.
- Ключевой результат: когда экспериментаторы искусственно ослабляли высокочастотную гармонику от объекта-помехи (даже на том же расстоянии), способность мыши находить цель восстанавливалась.
В дальнейших экспериментах (2010–2011) команда показала, что, сдвинув ослабленный высокочастотный сигнал помехи на рассчитанное время (15 мкс/дБ), можно восстановить её способность «мешать» цели, вернув синхронность её гармоник. Иными словами, используя предсказания гипотезы, они смогли заглушить эхолокационную способность мыши.
Перспективы для технологий
Если термины «наведение» и «глушение» ассоциируются с радаром и сонаром, это не случайно. Симмонс сотрудничает с ВМС США по применению принципов эхолокации летучих мышей в навигационных технологиях. Он недавно начал новый грант от Управления военно-морских исследований (ONR), связанный с сонаром, в сотрудничестве с исследователем Джейсоном Годетом из Центра подводной войны ВМС (NUWC) в Ньюпорте.
Симмонс считает, что собранные данные не только поддерживают гипотезу временного связывания, но и могут вдохновить на новые технологические решения, особенно для небольших аппаратов, выполняющих сложные задачи в реальном времени.