Обнаружение, преследование и ловля добычи - для многих животных это важнейшая задача для выживания. Ученые из Института нейробиологии им. Макса Планка продемонстрировали на примере рыбок данио, что расположение нейронов в среднем мозге приспособлено к успешной последовательности охоты.
Далеко, на периферии своего поля зрения, крошечная личинка рыбки данио обнаруживает маленькую точку, движущуюся вбок. Добыча это или угроза, например, подкрадывающийся к ней далекий хищник? В кратчайшие сроки рыба решает, что она должна быть потенциальной добычей. Личинка поворачивается к объекту, приближается к нему, пока не оказывается прямо перед ним, и захлопывается - одна из ее ежедневных охотничьих процедур успешно завершена.
То, что может показаться простым, на самом деле является очень сложным процессом. Множество различных зрительных стимулов обнаруживаются одновременно, передаются от глаза к мозгу и далее обрабатываются. Интересно, что стимулы не достигают мозга в случайных местах: каждая позиция на сетчатке передается в очень конкретное место в тектуме среднего мозга, центре обработки зрительных стимулов. Однако помимо этого мало что известно о том, как устроены и организованы нейроны или на какие сигналы они конкретно реагируют.
Доминик Фёрстер и команда из лаборатории Хервига Байера проанализировали, как ганглиозные клетки сетчатки передают визуальную информацию от глаза к тектуму и как эта информация обрабатывается дальше. Для этого личинки рыбок данио были представлены в области виртуальной реальности с различными визуальными стимулами, начиная от маленьких и больших объектов, похожих на добычу, и заканчивая приближающимися угрозами, похожими на хищных рыб. Используя специальную технику микроскопии, исследователи не только параллельно анализировали активность сотен нейронов, но и расположение их клеточных проекций.
Реакция на оптические стимулы
Анализ этого пула данных показал, что ганглиозные клетки сетчатки, а также нейроны в тектуме реагируют на оптические стимулы узкоспециализированным образом: в то время как одни клетки активируются маленькими объектами, другие реагируют на более крупные объекты или даже угрозы.. Одни клетки интересуются направлением движения, другие - только тем, становится ли окружающая среда темнее или ярче. Интересно, что нейроны специального назначения не распределяются в тектуме случайным образом. Ганглиозные клетки сетчатки, реагируя на угрозу, посылают свои проекции в глубокие слои тектала, где встречаются с принимающими отростками, или дендритами, тектальных нейронов. Напротив, клетки, реагирующие на объекты, похожие на добычу, создают синаптические связи в более поверхностных слоях. Эта специализация различных тектальных слоев, скорее всего, позволяет рыбкам данио быстро отличать добычу от угрозы, что является важным навыком для выживания.
Затем исследователи обнаружили, что клетки, специфичные для добычи, в верхних слоях устроены таким образом, который выгоден для последовательности охоты: добыча обычно сначала появляется на расстоянии в периферическом поле зрения. Такие изображения представлены в задней части тектума. Поразительно, но эта область тектума обогащена клетками, реагирующими на мелкие движущиеся объекты. Когда рыба поворачивается к добыче и приближается к ней, изображение жертвы перемещается в переднюю часть тектума и увеличивается, пока не появляется прямо перед рыбой. Там он устойчив благодаря собственному движению рыбы, пока добыча не будет захвачена сильным ударом. Нейроны, настроенные на визуальный ввод с такими характеристиками, то есть большие и устойчивые, располагаются в лобной области тектума - именно там, где такого рода информация достигает мозга.
Это исследование показывает, что расположение и связь нейронов на карте тектального мозга адаптированы к требованиям охоты. Специализированные клетки располагаются в тех областях мозга, где их функция лучше всего подходит для эффективного улова. Используя в качестве примера охотничье поведение рыбок данио, исследователи смогли продемонстрировать влияние естественного отбора на расположение соответствующих областей мозга. Эти результаты напоминают нам, что то, как животные (включая нас) воспринимают мир, формируется эволюцией. В прошлом то, как устроен мозг, лучше всего обеспечивало выживание.