Рыбы данио учатся балансировать, бросаясь вперед, когда они чувствуют себя неуверенно, принцип, который может также применяться к людям, согласно исследованию, проведенному учеными из Медицинского центра Лангоне при Нью-Йоркском университете.
Рыбы являются хорошими моделями для понимания человеческого баланса, потому что они используют схожие схемы мозга, говорят авторы исследования. Исследователи надеются, что их работа когда-нибудь поможет терапевтам лучше лечить проблемы с равновесием, от которых страдает каждый третий пожилой американец и для которых падения являются основной причиной смерти.
Опубликованное в Интернете 19 января в журнале Current Biology, новое исследование показало, что ранние улучшения в балансе рыбок данио возникают из-за их растущей способности выполнять быстрые плавания в ответ на восприятие нестабильности. Со временем молодые рыбы учатся делать корректирующие движения, когда они нестабильны, и становятся лучше, сохраняя устойчивость.
«Распутывая силы, используемые рыбой во время плавания, и во время пауз между этими корректирующими движениями, мы, возможно, обнаружили фундаментальный механизм баланса - ментальную команду начать движение, когда она нестабильна», - говорит ведущий исследователь Дэвид. Шоппик, доктор философии, доцент кафедры неврологии и физиологии Нью-Йоркского университета в Лангоне.
Поведенческие тенденции, выявленные в новом исследовании, подтверждают предыдущую работу, которая обнаружила, что баланс зависит от сетей связей между клетками мозга (нейральные цепи), которые связывают органы чувств в балансовой или вестибулярной системе с мышцами, совершающими корректирующие движения..
Наряду с рыбками данио, многие животные имеют тяжелые головы, которые требуют постоянной коррекции, чтобы они не наклонялись вперед. Люди также буквально падают вперед во время ходьбы, а затем компенсируют это резким движением ног вперед, но, в отличие от рыбок данио, по мере своего развития они становятся менее тяжелыми.
«Следующее, что мы планируем проверить, - это то, что малыши, такие как рыбки в нашем исследовании, чаще двигаются, когда чувствуют себя неуравновешенными», - говорит автор исследования Дэвид Эрлих, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Шоппика. руководил многими экспериментами. «Кроме того, делают ли взрослые шаги меньшими и быстрыми шагами по обледенелым тротуарам или в темноте, особенно с учетом того, что наша система равновесия с возрастом ухудшается?»
56, 000 плаваний
В текущем исследовании исследователи записали видео 56 682 плаваний личинок рыбок данио, измеряя время каждого быстрого плавания и эффективность усилий, чтобы оставаться стабильной с возрастом. Видео подтвердило, что рыбы плавают «приступами» и что они гораздо чаще в возрасте 21 дня, чем в 4 дня, начинают корректирующий заплыв при падении вперед на высокой скорости.
Основываясь на видео, команда смогла создать компьютерную симуляцию плавающей рыбы на основе элегантной серии уравнений. По словам авторов, в знак того, что они пришли к четкому пониманию баланса, симуляции вели себя очень похоже на настоящую рыбу.
Исследователи удалили элементы из симуляции, чтобы уточнить роль каждого из них в балансе. Устранение «коррекции тангажа», тенденции рыбы всплывать, если в предыдущем подходе она плыла вниз (или наоборот), не позволяла рыбе исправить положение при опрокидывании. Вместо этого они провели свою смоделированную жизнь, опустив головы на дно резервуара. Когда команда удалила связь между угловой скоростью (насколько быстро вращается рыба) и кинематикой реактивного боя рыбы (сила противодействия плаванию); смоделированная рыба бесконечно качалась вперед, перекатываясь «кувырком».
Двигаясь вперед, команда будет стремиться измерять изменения в активности мозга, которые происходят, когда рыбки данио учатся балансировать. В будущем они надеются сотрудничать с клиницистами из Центра вестибулярной терапии Лангоне при Нью-Йоркском университете в Реабилитационном центре Раск для продвижения реабилитационной медицины.
«Многие пациенты, перенесшие инсульт, рак или травму головного мозга, борются с проблемами равновесия или головокружением», - говорит Тара Денхэм, физиотерапевт, менеджер программы вестибулярной терапии Раска.«Лучшее понимание того, как мозг воспринимает баланс, поможет нам точно настроить программы упражнений, которые восстанавливают утраченные функции и сокращают время восстановления».