Уникальная способность каракатиц, кальмаров и осьминогов прятаться, имитируя цвета и текстуру окружающей их среды, привлекала ученых-естествоиспытателей со времен Аристотеля. Уникально среди всех животных, эти моллюски контролируют свой внешний вид за счет прямого воздействия нейронов на расширяемые пиксели, насчитываемые миллионами, расположенные на их коже. Ученые из Института исследований мозга Макса Планка и Франкфуртского института перспективных исследований/Университета Гёте использовали это соответствие нейрон-пиксель, чтобы заглянуть в мозг каракатицы и сделать вывод о предполагаемой структуре контрольных сетей посредством анализа динамики рисунка кожи.
Каракатицы, кальмары и осьминоги представляют собой группу морских моллюсков, называемых колеоидными головоногими, которые когда-то включали аммониты, сегодня известные только как спиральные окаменелости мелового периода. Современные колеоидные головоногие потеряли свои внешние панцири около 150 миллионов лет назад и перешли к все более активному хищническому образу жизни. Это развитие сопровождалось массовым увеличением размера их мозга: современные каракатицы и осьминоги имеют самый большой мозг (относительно размера тела) среди беспозвоночных с размером, сравнимым с размером мозга рептилий и некоторых млекопитающих. Они используют этот большой мозг для выполнения целого ряда разумных действий, включая уникальную способность менять рисунок кожи, чтобы маскироваться или прятаться в окружающей среде.
Головоногие контролируют камуфляж путем прямого воздействия их мозга на специализированные клетки кожи, называемые хроматофорами, которые действуют как биологические цветовые «пиксели» на дисплее мягкой кожи. Каракатицы обладают до миллионами хроматофоров, каждый из которых может расширяться и сокращаться, вызывая локальные изменения контраста кожи. Управляя этими хроматофорами, каракатицы могут изменять свой внешний вид за доли секунды. Они используют камуфляж для охоты, чтобы избежать хищников, а также для общения.
Для маскировки каракатицы не соответствуют своей локальной среде пиксель за пикселем. Вместо этого они, кажется, извлекают с помощью зрения статистическую аппроксимацию своего окружения и используют эту эвристику для выбора адаптивного камуфляжа из предполагаемого большого, но конечного репертуара вероятных паттернов, отобранных эволюцией. Биологические решения этой проблемы статистического соответствия неизвестны. Но поскольку каракатицы могут решить ее, как только вылупятся из яйца, их решения, вероятно, являются врожденными, встроенными в мозг каракатиц и относительно простыми. Группа ученых из Института исследований мозга Макса Планка и Франкфуртского института перспективных исследований (FIAS)/Университета Гёте под руководством директора MPI Жиля Лорана разработала методы, которые начинают обнаруживать эти решения.
Хроматофоры каракатиц представляют собой специализированные клетки, содержащие эластичный мешок гранул цветного пигмента. Каждый хроматофор прикреплен к мельчайшим радиальным мышцам, которые в свою очередь контролируются небольшим количеством двигательных нейронов в головном мозге. Когда эти двигательные нейроны активируются, они заставляют мышцы сокращаться, расширяя хроматофор и демонстрируя пигмент. Когда нервная активность прекращается, мышцы расслабляются, эластичный пигментный мешок сжимается, и обнажается отражающая подлежащая кожа. Поскольку одиночные хроматофоры получают входные данные от небольшого числа двигательных нейронов, состояние расширения хроматофора может обеспечить косвенное измерение активности двигательных нейронов.
«Мы решили просто и косвенно измерить работу мозга, визуализируя пиксели на коже животного», - говорит Лоран. Действительно, мониторинг поведения каракатиц с разрешением хроматофора предоставил уникальную возможность косвенно «отобразить» очень большие популяции нейронов у свободно ведущих себя животных. Постдоктор Сэм Рейтер из лаборатории Лорана, первый автор этого исследования, и его соавторы сделали вывод об активности двигательных нейронов, анализируя детали кофлуктуаций хроматофора. В свою очередь, анализируя ковариации этих предполагаемых мотонейронов, они смогли предсказать структуру еще более высоких уровней контроля, все более глубоко «отображая» мозг каракатицы посредством детального статистического анализа ее хроматофорного выхода.
Чтобы добиться этого, понадобилось много лет напряженной работы, несколько хороших идей и несколько удачных моментов. Ключевым требованием для успеха было отслеживание десятков тысяч отдельных хроматофоров параллельно со скоростью 60 изображений с высоким разрешением в секунду и отслеживание каждого хроматофора от одного изображения к другому, от одного паттерна к другому, от одной недели к следующей. далее, по мере того как животное дышало, двигалось, меняло внешний вид и росло, постоянно вставляя новые хроматофоры. Одним из ключевых открытий было «понимание того, что физическое расположение хроматофоров на коже достаточно неравномерно, чтобы быть уникальным на местном уровне, что обеспечивает локальные отпечатки пальцев для сшивания изображений», - говорит Маттиас Кашубе из FIAS / GU. Путем итеративного и кусочного сравнения изображений стало возможным деформировать изображения таким образом, чтобы все хроматофоры были правильно выровнены и прослеживались, даже если их индивидуальные размеры различались, как это происходит при изменении рисунка кожи, и даже когда появлялись новые хроматофоры, как это происходит из одного день на следующий по мере роста животного.
С помощью таких идей, как эта, и с помощью нескольких суперкомпьютеров, команде Лорана удалось достичь своей цели и начать изучать мозг животного и его систему управления камуфляжем. По пути они также сделали неожиданные наблюдения. Например, когда животное меняет свой внешний вид, оно меняется очень специфическим образом через последовательность точно определенных промежуточных паттернов. Это наблюдение важно, потому что оно предполагает внутренние ограничения на генерацию паттернов, тем самым раскрывая скрытые аспекты нейронных цепей управления. Они также обнаружили, что хроматофоры систематически меняют цвет с течением времени, и что время, необходимое для этого изменения, соответствует скорости производства новых хроматофоров по мере роста животного, так что относительная доля каждого цвета остается постоянной. Наконец, наблюдая за этим развитием, они вывели минимальные правила, которые могут объяснить морфогенез кожи у этого и, возможно, у всех других видов колеоидных головоногих.
«Это исследование открывает множество новых вопросов и возможностей, - говорит Лоран. «Некоторые из них касаются восприятия текстуры и имеют отношение к растущей области когнитивной вычислительной нейронауки; другие помогают определить точную связь между активностью мозга и поведением, области, называемой нейроэтологией; третьи еще помогают определить клеточные правила развития, участвующие в морфогенезе тканей. Наконец, эта работа открывает окно в мозг животных, чья линия отделилась от нашей более 540 миллионов лет назад Мозг головоногих предлагает уникальную возможность изучить эволюцию другой формы интеллекта, основанную на истории, полностью независимой от линии позвоночных. более полумиллиарда лет."