С помощью своих полупрозрачных колокольчиков лунные медузы (Aurelia aurita) очень эффективно перемещаются по океанам. Ученые из Боннского университета теперь использовали математическую модель, чтобы исследовать, как этим книдариям удается использовать свои нейронные сети для управления своим движением, даже когда они ранены. Результаты могут также способствовать оптимизации подводных роботов. Исследование уже было опубликовано онлайн в журнале eLife; окончательная версия появится в ближайшее время.
Лунная медуза (Aurelia aurita) распространена почти во всех океанах. Книдарии передвигаются в океане со своими полупрозрачными колокольчиками, размер которых составляет от трех до 30 сантиметров. «У этих медуз кольцеобразные мышцы, которые сокращаются, тем самым выталкивая воду из колокола», - объясняет ведущий автор исследования Фабиан Палласдис из исследовательской группы по динамике и вычислениям нейронных сетей Института генетики Боннского университета.
Лунные медузы особенно эффективны, когда дело доходит до передвижения: они создают вихри на краю своего колокола, которые увеличивают движение. Палласди: «Более того, только сокращение колокола требует мышечной силы; расширение происходит автоматически, потому что ткань эластична и возвращается к своей первоначальной форме».
Mellyfish для исследования происхождения нервной системы
Ученые исследовательской группы разработали математическую модель нейронных сетей лунных медуз и использовали ее для изучения того, как эти сети регулируют движение животных.«Медузы - одни из древнейших и простейших организмов, которые передвигаются в воде», - говорит руководитель исследовательской группы, профессор, доктор Рауль-Мартин Меммесхаймер. На основе их и других ранних организмов теперь будет исследовано происхождение нервной системы..
Особенно в 50-х и 80-х годах прошлого века были получены обширные экспериментальные нейрофизиологические данные о медузах, что дало исследователям Боннского университета основу для их математической модели. В несколько этапов они рассмотрели отдельные нервные клетки, сети нервных клеток, все животное и окружающую воду. «Модель может быть использована для ответа на вопрос, как возбуждение отдельных нервных клеток приводит к движению лунной медузы», - говорит Палласдис.
Медузы могут воспринимать свое положение с помощью световых раздражителей и с помощью органа равновесия. Если лунную медузу поворачивает океанское течение, животное компенсирует это и перемещается, например, дальше к поверхности воды. С помощью своей модели исследователи смогли подтвердить предположение о том, что медуза использует одну нейронную сеть для плавания прямо вперед и две для вращательных движений.
Волнообразное распространение возбуждения
Активность нервных клеток распространяется в колоколе медузы волнообразно. Как показывают уже эксперименты XIX века, передвижение работает даже при повреждении больших частей колокола. Ученые из Боннского университета теперь могут объяснить это явление с помощью своих симуляций: «Медуза может улавливать и передавать сигналы своим колокольчиком в любой точке», - говорит Палласдис. Когда возбуждается одна нервная клетка, возбуждаются и другие, даже если участки колокольчика повреждены.
Однако волнообразное распространение возбуждения в колоколе медузы было бы нарушено, если бы нервные клетки срабатывали беспорядочно. Как теперь обнаружили исследователи на основе своей модели, этот риск предотвращается тем, что нервные клетки не могут снова активизироваться так быстро после возбуждения.
Учёные надеются, что дальнейшие исследования прольют свет на раннюю эволюцию нейронных сетей. В настоящее время также разрабатываются подводные роботы, передвигающиеся по принципу плавания медуз. Pallasdies: «Возможно, наше исследование поможет улучшить автономное управление этими роботами».