На круглой арене плодовая мушка перемещается по виртуальному ландшафту, освещенному черным и синим светом. Муха привязана к месту и может махать крыльями, но не двигать головой. Изображения на стене вращаются, создавая иллюзию движения.
Это не карнавал насекомых. Это установка, которую исследователи из исследовательского кампуса Джанелия Медицинского института Говарда Хьюза используют для изучения того, как плодовые мушки ориентируются и строят мысленные карты мира.
Теперь два исследования, проведенные независимо Джанелией и Гарвардской медицинской школой, показывают, как нейронный компас мухи использует визуальные подсказки для улучшения чувства ориентации насекомого. Ментальные карты мух удивительно податливы, предполагают оба исследования, опубликованные 20 ноября 2019 года в журнале Nature.
Ученые могут фактически переписать чувство направления насекомых, возясь с их нейронным компасом. Имея всего несколько фрагментов визуальной информации, мухи могут построить новую карту своего окружения.
Теоретические исследования объяснили, как пространственные карты в мозге могут приспосабливаться к новым визуальным объектам, говорит Иветт Фишер, научный сотрудник HHMI Ханны Грей и соавтор исследования Гарварда. «Но никто не видел этого на механистическом уровне».
Выводы дают новое представление о том, как мозг может создавать стабильную карту сцены, оставаясь при этом достаточно гибким, чтобы адаптироваться к новым сценариям, - говорит Сунг Су Ким, нейробиолог из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, возглавлявший исследование. учится в Джанелии. Работа также имеет значение для того, как другие животные ориентируются в дикой природе, добавляет Фишер, от насекомых, таких как муравьи и навозные жуки, до млекопитающих, таких как мыши, и, возможно, даже люди.
Чувство направления
Как и люди, мухи могут быстро ориентироваться, используя ориентиры в окружающей их среде, создавая ментальную карту пейзажа вокруг них.
У мух есть кольцо «нейронов компаса» в их мозгу, которое отражает ориентацию мухи в пространстве, показал старший руководитель группы Janelia Вивек Джаяраман и его лаборатория в прошлом исследовании. Когда муха смотрит в определенном направлении, где-то вокруг кольца возникает всплеск активности нейронов. Когда муха поворачивается, выпуклость перемещается, отражая новую ориентацию мухи, подобно стрелке компаса, постоянно указывающей на север.
Эти нейроны компаса реагируют на поворот мухи даже в кромешной тьме, но добавление визуальных сигналов дает мухам еще лучшее чувство направления, говорит Джаяраман. «Вопрос в том, как компас синхронизирует два источника информации, повороты и визуальные подсказки?»
Одно из предложенных объяснений состоит в том, что каждый зрительный нейрон касается каждого нейрона компаса в кольце. Некоторые связи сильнее других; их относительная сила создает карту в мозгу мухи. Многократное видение ориентира в определенной ориентации укрепит некоторые связи между нейронами компаса и зрительными нейронами, передающими информацию об окружающем мире.
В этом объяснении связи податливы - они способны изменять силу с течением времени в ответ на изменение обстановки. Например, если ключевой ориентир появляется в другом месте, некоторые связи ослабевают, а другие соответственно усиливаются, обновляя ментальную карту мухи. Это сложная идея для тестирования на диких животных. Но с мухами в лаборатории ученые теперь могут.
Фишер и ее коллеги из HHMI Лаборатория исследователя Рэйчел Уилсон в Гарварде поместила мух на арену виртуальной реальности и записала активность их мозга во время их блужданий. В темноте мухи, в конце концов, потеряли чувство направления - «шишка» компаса не соответствовала направлению, в котором указывала муха. Но единственный яркий свет на стене арены в качестве ориентира позволил компасу сохранить свою точность.
Затем Фишер и ее коллеги добавили второй свет прямо через арену от первого. В этой новой визуальной среде одни нейроны стали болтливее, а другие - тише. Через несколько минут они удалили вторую визуальную подсказку, вернув муху в исходное положение. Они обнаружили, что мозг заново интерпретировал исходную среду: компас теперь указывал в другом направлении. И нейроны, которые были особенно разговорчивы в измененной среде, изменили связи, которые они установили со зрительными нейронами, - признак того, что муха может обновлять свою карту с течением времени.
Перезаписываемые карты
Тем временем Джаяраман, Ким и их коллеги из Janelia также заметили признаки гибкого отображения более сложных визуальных сцен. Они помещают мух в другую арену виртуальной реальности, привязывая насекомых к месту в камере размером с грейпфрут, но создавая у них иллюзию полета. Команда показала, что со временем мухи связали расположение ключевых визуальных элементов сцены с определенными нейронами компаса. Эти визуальные сигналы активировали нейроны компаса и сообщали мухе, в каком направлении она движется.
«Взаимоотношения становятся сильнее, когда муха повторяет этот опыт, укрепляя связи между нейронами с течением времени», - говорит Ким, которая проводила это исследование в качестве сотрудника Janelia. И что важно, мухи могли делать это заново в другой визуальной обстановке.
«Одна из прекрасных особенностей этой схемы заключается в том, что она позволила нам тщательно протестировать модели, теоретически выдвинутые двадцать или тридцать лет назад», - говорит Энн Хермундстад, один из нейробиологов-теоретиков в Джанелии, которая сотрудничала с Ким и Джаяраман. «Теперь мы можем делать прогнозы относительно того, насколько гибким должен быть компас, чтобы быстро справляться с новыми настройками, и проверять эти прогнозы с помощью новых экспериментов».
Например, Ким показала, что мухам не всегда нужно делать полный круг, чтобы составить карту. Достаточно было просто просмотреть часть сцены. Более того, он мог перевернуть внутренний компас мухи, используя технику, называемую оптогенетикой, для манипулирования отдельными нейронами. Теперь нейроны, которые когда-то заставляли муху думать, что она поворачивает вправо, вместо этого двигали компас влево. Со временем муха могла составить новую карту арены виртуальной реальности - только в обратном порядке.
Навигация включает в себя своего рода обучение, которое не было широко изучено на уровне схемы, говорит Уилсон из Гарварда. Это отличается от обучения животных тому, что, например, звук колокольчика приносит какую-то награду. Вместо этого муха исследует окружающую среду и учится сама по себе.
Ученые связали этот тип обучения с определенными областями мозга у млекопитающих, говорит Уилсон, но было трудно точно изучить, как это работает в сложном мозге млекопитающих. «Это действительно конкретная иллюстрация того, как клетки мозга могут учиться снизу вверх без учителя."