Учёные выяснили, как животные ориентируются «в темноте»

Исследователи раскрыли мозговую активность, которая помогает животным находить пищу и другие жизненно важные ресурсы в незнакомой среде без ориентиров (света, звуков).

В таких условиях животные демонстрируют спонтанное, на первый взгляд случайное поведение при поиске пищи. Хотя это поведение наблюдается у многих организмов, лежащая в его основе нейронная активность оставалась загадкой из-за сложностей поиска сигналов в крупном мозге позвоночных.

В новом исследовании, которое будет опубликовано в журнале eLife, учёные использовали визуализацию всего мозга личинок рыбок данио, чтобы понять, как их мозговая активность преобразуется в спонтанное поведение. Оказалось, что поведение в пустой среде не случайно, а характеризуется чередующимися «состояниями» левого и правого поворота в мозге, когда животные с большей вероятностью выполняют повторяющиеся манёвры в одном направлении.

«Мы заметили, что поворот, сделанный рыбкой данио, с большой вероятностью следовал в том же направлении, что и предыдущий, создавая чередующиеся "цепи" поворотов, смещённых в одну сторону, и формируя характерные траектории движения "слаломом"», — говорит первый автор Тимоти Данн, постдокторант Гарвардского университета.

«Свободно плавающие рыбки спонтанно объединяли повороты в одном направлении в среднем примерно от 5 до 10 секунд, а иногда и намного дольше. Это существенно отклоняется от случайного блуждания, где движения не следуют какому-либо различимому шаблону».

Анализируя связь между спонтанной активностью мозга и спонтанным поведением, исследователи создали карты активности всего мозга нейронных структур, которые коррелировали с паттернами движений животных.

Они обнаружили ядро в заднем мозге рыбок данио, которое участвует в простом, но потенциально жизненно важном поведенческом алгоритме. Этот алгоритм может оптимизировать поиск пищи, когда у животного мало информации об окружающей среде.

Поскольку подобные поведенческие стратегии должны существовать и у других животных, исследующих среды, намного превышающие их собственные размеры, команда ожидает, что наблюдаемые у данио нейронные системы есть и у других организмов.

«В целом, наш анализ всего мозга, эксперименты с нейронной активностью и анатомическая характеристика рыбок данио выявили нейронную цепь, участвующую в формировании паттернов спонтанного, самогенерируемого поведения», — объясняет соавтор Ю Му, постдокторант Janelia Research Campus.

«Поскольку наше исследование делает очень конкретные прогнозы относительно этой цепи, для проверки её ключевых компонентов потребуются будущие эксперименты. Также будет интересно посмотреть, влияют ли на спонтанные паттерны плавания разные условия окружающей среды и мотивационное состояние рыбок».