Мухи используют сложные математические вычисления для навигации

Исследователи из Гарвардской медицинской школы и Университета Рокфеллера обнаружили ключевой нейронный механизм навигации у плодовых мушек (Drosophila melanogaster). Работы, опубликованные 15 декабря 2021 года в журнале Nature, показывают, как мозг размером с маковое зерно выполняет геометрические вычисления для отслеживания пути.

Ключевое открытие

Ранее был известен "нейронный компас" мухи — группа клеток, отслеживающих ориентацию тела в пространстве. Новые исследования впервые идентифицировали нейроны, которые одновременно отслеживают движение тела и его ориентацию, и раскрыли, как эти сигналы объединяются для построения пути.

Учёные обнаружили два типа клеток мозга (PFNd и PFNv), которые регистрируют:

• Направление взгляда (куда смотрит муха)
• Скорость движения при ходьбе

Эти нейроны учитывают движение не только вперёд, но и вбок и назад, вычисляя истинное направление перемещения в окружающем мире.

Математика в мозге мухи

Исследователи из лаборатории Габриэля Маймона показали, что мозг мухи использует векторную арифметику для вычисления направления и скорости движения.

• Вектор — величина, имеющая направление и величину (например, короткая стрелка вправо = медленное движение на восток).
• Нейронная цепь в мозге мухи вращает, масштабирует и складывает векторы, представленные активностью популяций клеток PFNd и PFNv.
• Паттерны активности этих клеток образуют синусоидальную волну. Положение и высота волны меняются в зависимости от направления движения мухи.
• Складывая эти волны (векторы), мозг вычисляет, движется ли муха на север, восток и т.д., и с какой скоростью.

"Эта часть мозга буквально складывает векторы", — говорит Габриэль Маймон.

Значение для нейронауки

Это открытие проливает свет на фундаментальные вычислительные принципы мозга.

• "Счисление пути" (dead reckoning): Мухи, как и люди, способны отслеживать пройденный путь, чтобы определить своё текущее положение на "ментальной карте".
• Модель для сложных мозгов: Понимание того, как крошечный мозг выполняет такие вычисления, может помочь понять, как более сложные мозги (включая человеческий) решают другие задачи.
• Подход к разгадке: "Мозг мухи, с которым можно работать, может и дальше оставаться местом, где мы сначала разбираемся в вещах, давая нам план для понимания более крупных мозгов, подобных нашему", — добавляет Маймон.

Остаются открытыми вопросы: используют ли млекопитающие те же механизмы и как навигационные данные в мозге преобразуются в реальное поведение и управление движением.