Многое из того, что биологи узнали о поведении животных за эти годы, было получено в результате тщательных наблюдений и кропотливых заметок. Вскоре может появиться более простой способ.
В новом исследовании, опубликованном в журнале eLife, исследователи из Колумбийского университета показали, как алгоритм фильтрации спама может научиться выделять из многочасовой видеозаписи полный поведенческий репертуар крошечной гидры, обитающей в пруду. Близкая родственница кораллов, медуз и морских анемонов, гидра настолько примитивна, что у нее нет ни позвоночника, ни мозга. Но когда он движется, кормится и уклоняется от хищников, его поведение предсказуемо, и компьютер может его распознать.
Сравнивая поведение Гидры с активностью ее нейронов, исследователи надеются в конечном итоге понять, как работает ее нервная система и нервная система более сложных животных. «Люди использовали алгоритмы машинного обучения, чтобы частично проанализировать, как летает плодовая мушка и как ползает червь, но это первое систематическое описание поведения животного», - сказал старший автор исследования Рафаэль Юсте, нейробиолог из Колумбийского университета. член Колумбийского института науки о данных. «Теперь, когда мы можем измерить все поведение Гидры в режиме реального времени, мы можем увидеть, может ли она обучаться, и если да, то как реагируют ее нейроны».
Предки гидры появились на Земле около 700 миллионов лет назад, до кембрийского взрыва, породившего большинство современных видов. Вместо мозга сотни нейронов проходят вдоль его узкого полупрозрачного тела, координируя поведение, которое варьируется от простого - скручивания в клубок, чтобы избежать хищников - до сложного - кувыркаться, чтобы передвигаться..
В более раннем исследовании Current Biology Юсте и его коллеги зафиксировали возбуждение всех ее нейронов в режиме реального времени и обнаружили четыре набора нейронных цепей, которые контролируют четыре различных поведения удлинения и изгиба, прокладывая путь к пониманию того, как Гидра нервная система регулирует его поведение.
В текущем исследовании команда сделала еще один шаг вперед, попытавшись каталогизировать полный набор поведения Гидры. Для этого они применили популярный алгоритм классификации «мешок слов» к часам записи, отслеживающей каждое движение Гидры. Точно так же, как алгоритм анализирует, как часто слова появляются в тексте, чтобы выбрать темы (и пометить, например, шаблоны, напоминающие спам), он циклически просматривал видео Hydra и выявлял повторяющиеся движения.
Их алгоритм распознал 10 ранее описанных моделей поведения и измерил, как шесть из них реагировали на различные условия окружающей среды. К удивлению исследователей, поведение Гидры практически не изменилось. «Кормили вы его или нет, включали или выключали свет, он делал одно и то же снова и снова, как кролик Энерджайзер», - сказал Юсте.
Исследователи считают, что Гидра, возможно, развила способ приспосабливаться к окружающей среде, как будто на автопилоте. Сейчас они экспериментируют с другими раздражителями, чтобы увидеть, будет ли Гидра реагировать и учиться. В конце концов, они надеются взломать его нейронный код с помощью модели, показывающей, как сети нейронов создают поведение.
Уроки, извлеченные из Гидры, также могут быть полезны для инженерной отрасли, связанной с поддержанием стабильности и точного управления в машинах, от кораблей до самолетов, перемещающихся в сильно меняющихся условиях.
Нервная система даже таких простых животных, как гидра, эволюционировала, чтобы сохранять постоянство в своем поведении, сказал Юсте. Если бы инженеры могли раскрыть свой секрет, технология могла бы быть наполнена биологическими элементами управления, которые развивались на протяжении сотен миллионов лет.
«Обратное проектирование Гидры может научить нас очень многому», - сказал ведущий автор исследования Шутинг Хан, аспирант Колумбийского университета.
Ранее работавшие в лаборатории Юсте другие авторы исследования, Екатерина Таралова и Кристоф Дюпре, теперь работают в стартапе Zoox Inc. и Гарварде.