Наша нервная система является замечательным переводчиком, направляя информацию из многих источников и инициируя соответствующие поведенческие реакции. Но хотя мы многое знаем о том, как работают нейроны, ученые не до конца понимают, как нервная система интегрирует стимулы от разных органов чувств. Вы можете чувствовать запах дыма и тепло, но как мозг комбинирует и интерпретирует эти разные раздражители, сигнализируя вам позвонить в пожарную службу?
Оказывается, насекомые являются привлекательными моделями для изучения вопросов интеграции информации, поступающей от различных сенсорных путей. Бражник, Manduca sexta, использует длинный, похожий на хоботок хоботок, чтобы пить сладкий нектар из услужливых цветов.
Исследовательская группа под руководством профессора биологии Вашингтонского университета Тома Дэниела выяснила, как бражники интегрируют сигналы от двух сенсорных систем: зрения и осязания. Их результаты, опубликованные 24 октября в Proceedings of the National Academy of Sciences, иллюстрируют вычислительную основу этой интеграции, которая может служить общей моделью для насекомых, других животных и людей.
«Сенсорная интеграция остается одной из самых интересных задач, с которыми справляются даже простые нервные системы», - сказал Даниэль. «Начиная с таких задач, как поиск у людей, до кормления нектаром насекомых, наша задача заключалась в разработке экспериментальных способов выявления механизмов и схем, лежащих в основе комбинированного визуального и механического восприятия».
Хоботок бражника длиннее его тела, поэтому он может копать глубоко внутри цветка, чтобы найти нектар, пока бражник парит над ним. Даже когда цветок качается и качается на ветру, бражники меняют свое положение, чтобы отслеживать положение цветка.
Ученые могут изучать следящее поведение в лаборатории, используя специально разработанные искусственные цветы, сделанные из их собственных маленьких стручков нектара. Бражники реагируют на эти предварительно упакованные обеды так же, как настоящие цветы, и - если исследователи манипулируют искусственным цветком, чтобы он двигался, когда бражник кормится, - бражник меняет свое положение, чтобы не отставать.
В дополнение к питьевым обязанностям хоботок также является органом чувств, передающим информацию о движущемся цветке, к которому он прикасается. Чтобы увидеть, как информация, поступающая от различных сенсорных систем, способствует отслеживанию поведения, команда Дэниела модифицировала искусственные цветы, чтобы они одновременно давали противоречивые визуальные и тактильные сигналы: лепестки цветка, за которыми бражник следит глазами, двигаются независимо от стручка нектара, который бражник хоботок касается. Изучая, как мотыльки реагируют на противоречивые визуальные и сенсорные сигналы, они надеялись расшифровать, как мозг бражника обрабатывает и объединяет входные данные от обеих сенсорных систем.
«Обычно, чтобы изучить, как конкретное чувство влияет на поведение, ученые пытаются разработать эксперименты, в которых животное получает только один вид сенсорного сигнала», - сказал исследователь из Университета Вашингтона Итаи Рот, ведущий автор исследования. бумага. «Но это не отражает того, что происходит, когда ансамбль органов чувств вносит свой вклад одновременно. Наш подход - сенсорный конфликт - одновременно бомбардирует животное богатыми мультисенсорными сигналами. Это позволяет нам моделировать, как информация одновременно обрабатывается и комбинируется различными органами чувств».
Дэниел и его команда проверили, насколько хорошо бражники выслеживают, питаясь дискордантным цветком. Когда нектарная камера двигалась, а остальная часть цветка оставалась неподвижной, мотыльки обычно могли раскачиваться в ответ на движущуюся пищу. Но когда они удерживали камеру с нектаром неподвижно и двигали цветочные лепестки, мотыльки лишь слегка качались. Это указывало на то, что для питания тактильная информация, передаваемая хоботком, может быть более важным сенсорным входом, чем зрение.
«В природе визуальные и тактильные сигналы в значительной степени совпадают, и для работы достаточно одного чувства. Наличие обоих обеспечивает избыточность, резервную копию на всякий случай», - сказал Рот. «Но когда мы предъявляем мотыльку противоречивые стимулы, он должен решить, как сбалансировать несоответствующую информацию - какому сигналу следовать. И оказывается, совершенно неожиданно, что прикосновение побеждает зрение в этом сенсорном перетягивании каната».
Они измерили положение бражника во время испытаний и использовали эти данные для описания поведения бражника с помощью математической модели. Хотя осязание, по-видимому, играет большую роль в отслеживании поведения, бабочки полагаются не только на это чувство. Их математическая модель показала, что мозг мотылька использует простую аддитивную модель или модель «линейного суммирования» для интеграции сигналов от хоботка и глаз. И хотя мотыльки в значительной степени полагаются на тактильные сигналы хоботка, модель предполагает, что как зрительные, так и осязательные чувства достаточно остры, чтобы мотыльки могли следовать за цветком.
Команда использовала эту модель, чтобы предсказать, как мотыльки будут вести себя в новой несогласованной обстановке, в которой нектарная камера и цветок двигались, но совершенно по-разному. Исследователи проверили эти предсказания на другом наборе бражников и отреагировали на эти цветочные разногласия именно так, как предсказывала модель. Дэниел и его команда считают, что математические основы, которые они здесь описывают, могут представлять распространенный способ интеграции сигналов у животных.