Плодовые мушки используют две мышцы для контроля тангажа при полете
Исследователи из Корнеллского университета и их коллабораторы выявили два компонента системы стабилизации полета у плодовой мушки Drosophila melanogaster. Они определили, что две мышцы, управляющие крыльями, отвечают за отдельные сигналы обратной связи, позволяющие насекомому стабилизировать свой тангаж (угол наклона тела вперед-назад).
Метод исследования
Для изучения сложной нервно-мышечной системы использовались:
- Оптогенетика: мушки были генетически модифицированы для экспрессии светочувствительных каналов в специфических нейронах. Это позволяло активировать или отключать определенные моторные нейроны с помощью света, влияя на работу связанных с ними мышц.
- Магнитные возмущения: к грудному отделу мушки приклеивали ферромагнитные штифты. Применение магнитного поля вызывало нарушение полета, заставляя мушку "падать" вперед или назад.
- Высокоскоростная съемка: три камеры, снимающие со скоростью 8000 кадров в секунду, фиксировали попытки мушки сгенерировать корректирующий крутящий момент и восстановиться после возмущения.
Принцип работы системы стабилизации
Рефлекс стабилизации начинается с гальтеров — сенсорных органов, являющихся видоизмененными задними крыльями. Гальтеры регистрируют скорость вращения тела и отправляют быструю обратную связь через нейронную цепь к 12 мышцам крыла.
Исследователи смоделировали этот рефлекс с помощью пропорционально-интегрального регулятора — системы управления с обратной связью, аналогичной круиз-контролю в автомобилях. Сигнал от сенсорной системы разделяется на два компонента:
- Интегральная часть (отвечает за угловое смещение).
- Пропорциональная часть (отвечает за угловую скорость).
Эти сигналы суммируются и определяют, через мышцы крыла, новый параметр взмаха, который создает корректирующий аэродинамический момент.
Ключевое открытие
Было установлено, что мышцы b1 и b2 напрямую ответственны за два управляющих сигнала:
- Мышца b1 реализует интегральный член (угловое смещение).
- Мышца b2 реализует пропорциональный член (угловая скорость).
Оба сигнала управляют углом переднего взмаха крыла. Это доказывает организационный принцип, согласно которому каждая мышца имеет специфическую функцию в управлении полетом.
Исследование, опубликованное 14 декабря в журнале Science Advances, представляет собой доказательство концепции для будущих работ по изучению нейронных цепей, реализующих стратегии управления, аналогичные инженерным системам.