Как мозг мухи вычисляет её положение в пространстве
Новое исследование раскрывает, как мозг мухи вычисляет направление её движения, даже когда голова смотрит в другую сторону. Учёные обнаружили нейроны, которые сигнализируют о направлении движения тела в мировой системе отсчёта, независимо от ориентации головы.
Определение своего пути
Исследователи из лаборатории Габриэля Маймона в Университете Рокфеллера зафиксировали головы плодовых мух (Drosophila) в миниатюрных держателях, оставив их свободно махать крыльями и управлять телом в виртуальной среде. Среда содержала визуальные ориентиры: яркий свет («солнце») и поле более тусклых точек, движение которых создавало иллюзию сноса мухи ветром.
- Как и ожидалось, ранее известные клетки направления головы стабильно указывали ориентацию мухи относительно «солнца».
- Ключевое открытие: учёные идентифицировали новый набор нейронов, который указывал, куда на самом деле движется муха. Например, если муха была ориентирована на «солнце» (восток), но виртуальный ветер сносил её назад, эти клетки сигнализировали, что муха движется на запад. Это первый известный набор клеток, указывающий направление движения животного в мировой системе отсчёта.
Математика в мозге
В сотрудничестве с теоретиком Ларри Эбботтом из Института Цукермана Колумбийского университета исследователи выяснили, как мозг мухи производит это вычисление.
- Векторные компоненты: Четыре класса нейронов, чувствительных к зрительному движению, представляют направление полёта как компоненты (векторы) вдоль четырёх осей. Длина каждого вектора указывает скорость движения вдоль этого направления.
- Вращение и сложение: Нейронная цепь в мозге мухи вращает эти четыре вектора, чтобы выровнять их относительно угла «солнца», а затем складывает их.
- Результат: Итоговый выходной вектор указывает направление движения мухи относительно «солнца».
Исследователи утверждают, что это не просто аналогия: мозг мухи буквально выполняет векторные операции. Популяции нейронов явно представляют векторы как волны активности, где положение волны — это угол вектора, а высота — его длина.
Значение для науки
- Пространственное познание: Работа объясняет, как муха определяет направление движения в реальном времени. Следующий шаг — изучение того, как мозг интегрирует эти сигналы о направлении и скорости во времени, чтобы формировать память о пройденном пути.
- Медицинский контекст: Поскольку пространственная дезориентация — ранний признак болезни Альцгеймера, понимание того, как мозг строит внутреннее чувство пространства, крайне важно. Открытие того, что даже мозг насекомого выполняет сложные математические операции для навигации, должно стимулировать поиск аналогичных сигналов и операций в мозге млекопитающих. Это может пролить свет на дисфункции, лежащие в основе неврологических расстройств, затрагивающих пространственное познание.
Исследование опубликовано в журнале Nature.