Виртуальная реальность для насекомых: мир с точки зрения мухи

Летающие насекомые обладают выдающейся способностью находить источники пищи и партнеров, ориентируясь в сложном трехмерном мире. Однако мало что известно о том, как они комбинируют различные сенсорные стимулы для достижения цели. Исследователи из лаборатории Шеннон Олссон в Национальном центре биологических наук (Бангалор) создали арену виртуальной реальности (VR) для наблюдения за поведением привязанных мух.

Искусственный мир для изучения поведения

Вместо наблюдения за насекомыми в природе ученые поместили их в контролируемую VR-среду. В этой системе муха, закрепленная на держателе, видит панорамную естественную картинку (небо, трава, деревья). В ответ на взмахи ее крыльев изображение на экране смещается, создавая иллюзию полета — аналог видеоигры для мухи.

Главный архитектор системы, аспирант Паван Кумар Каушик, отмечает, что предыдущие VR-системы использовали простые стимулы вроде полос для изучения физиологии зрения, но не поведения. Новая система воссоздает сложную, натуралистичную среду.

Ключевые сенсорные сигналы: зрение, запах и ветер

Для максимального реализма в систему добавили воздушный поток (имитация ветра) и порции запаха. Это были самые сложные элементы, на отладку которых ушло более трех лет.

В качестве модельного организма выбрали яблонную муху-пестрокрылку (Rhagoletis pomonella) — специалиста, который питается только на яблонях. Это упростило подбор правильных стимулов.

Научные открытия в VR-арене

• Восприятие глубины: В одном из экспериментов мухам показывали два дерева одинакового видимого размера, но одно было в два раза ближе. При "движении" мухи ближнее дерево расширялось быстрее. Мухи маневрировали в сторону этого дерева, демонстрируя способность использовать двигательный параллакс для восприятия глубины и расстояния.
• Комбинация сигналов: Исследователи смогли изолировать и комбинировать разные стимулы. Выяснилось, что:
  • Воздушный поток помогает мухам ориентироваться, особенно в отсутствие визуальных сигналов.
  • Для ориентации на запах мухам необходимо "видеть" мир — без визуальных и ветровых сигналов они не могут локализовать источник запаха.
  • "Раньше не было возможности изолировать эти сигналы. Наша VR позволяет это сделать и показать, как они используют эти сигналы в комбинации", — говорит Шеннон Олссон.

Значение и перспективы

Как отмечает когнитивный нейробиолог Вивек Джаяраман, эта установка заполняет пробел между традиционной VR (простые формы) и естественным миром насекомых, сохраняя при этом контроль над экспериментом.

Система позволяет манипулировать отдельными параметрами мира, которые невозможно изменить в реальности (например, "перевернуть" мир), чтобы выявить ключевые аспекты навигации насекомых. Полученные данные могут быть использованы в экологическом моделировании, робототехнике, поисковых алгоритмах и других приложениях.

Исследование будет опубликовано в журнале PNAS.