Навигация мух: гибкие ментальные карты мира
Два независимых исследования, проведённые в кампусе Janelia (Howard Hughes Medical Institute) и в Гарвардской медицинской школе, показали, как нейронный компас плодовой мушки использует визуальные ориентиры для уточнения её ориентации. Работы, опубликованные 20 ноября 2019 года в журнале Nature, свидетельствуют, что ментальные карты мух удивительно пластичны.
Учёные могут фактически переписать чувство направления насекомых, манипулируя их нейронным компасом. Имея всего несколько элементов визуальной информации, мухи способны построить новую карту окружающей обстановки.
Чувство направления
Как и у людей, у мух есть кольцо «нейронов компаса» в мозге, отражающее ориентацию в пространстве. Когда муха смотрит в определённом направлении, в какой-то точке кольца возникает «всплеск» активности нейронов. При повороте мухи этот «всплеск» перемещается, отражая новую ориентацию.
Визуальные ориентиры улучшают чувство направления. Вопрос в том, как компас синхронизирует два источника информации: повороты и визуальные сигналы.
Экспериментальные доказательства пластичности
Исследование в Гарварде (лаборатория Рэйчел Уилсон): Мух помещали в арену виртуальной реальности и записывали активность их мозга.
- В темноте мухи теряли ориентацию — «всплеск» активности на компасе не соответствовал направлению взгляда.
- Один яркий свет на стене арены позволял компасу сохранять точность.
- При добавлении второго света напротив первого активность некоторых нейронов менялась. После удаления второго света компас в исходной среде стал указывать в другом направлении. Связи между нейронами визуальной информации и нейронами компаса изменились — признак обновления карты.
Исследование в Janelia (лаборатория Вивека Джаярамана): Мух помещали в другую VR-арену, создавая иллюзию полёта.
- Со временем мухи связывали ключевые визуальные особенности с определёнными нейронами компаса.
- «Эти отношения становятся сильнее по мере повторения опыта, укрепляя связи между нейронами с течением времени», — говорит Сун Су Ким.
- Мухи могли создавать такие связи заново в другой визуальной обстановке.
- С помощью оптогенетики учёные смогли «перевернуть» внутренний компас мухи, заставив её со временем построить новую, обратную карту арены.
Значение исследований
Полученные данные дают новое представление о том, как мозг строит стабильную карту сцены, оставаясь при этом достаточно гибким для адаптации к новым условиям. Эта работа имеет значение для понимания навигации у других животных — от насекомых (муравьи, навозные жуки) до млекопитающих (мыши) и, возможно, людей.
«Это очень конкретная иллюстрация того, как клетки мозга могут учиться чему-то "снизу вверх", без учителя», — отмечает Рэйчел Уилсон.