Flagermus bruger de samme hjerneceller til at kortlægge fysiske og sociale verdener | Quanta Magasinet

En frugtflagermus, der hænger i hjørnet af en hule, rører sig; den er klar til at flytte. Den scanner rummet for at lede efter en fri aborre og flyver derefter og justerer sine membranøse vinger for at vinkle en tilgang til et sted ved siden af ​​en af ​​dens uklare fyre. Mens den gør det, udsendes neurologiske data løftet fra dens hjerne til sensorer installeret i hulens vægge.

Dette er ingen lun hule langs Middelhavet. Gruppen af ​​egyptiske frugtflagermus er i Berkeley, Californien, og navigerer i en kunstig hule i et laboratorium, som forskere har oprettet for at studere dyrenes indre virkemåde.

Forskerne havde en idé: at når en flagermus navigerer i sit fysiske miljø, navigerer den også i et netværk af sociale relationer. De ønskede at vide, om flagermusene bruger de samme eller forskellige dele af deres hjerne til at kortlægge disse krydsende virkeligheder.

I en ny undersøgelse offentliggjort i Natur i august afslørede forskerne, at disse kort overlapper hinanden. Hjernecellerne, der informerer en flagermus om dens egen placering, koder også detaljer om andre flagermus i nærheden - ikke kun deres placering, men også deres identiteter. Resultaterne rejser den spændende mulighed for, at evolution kan programmere disse neuroner til flere formål for at tjene forskellige arters behov.

De pågældende neuroner er placeret i hippocampus, en struktur dybt inde i pattedyrshjernen, der er involveret i skabelsen af ​​langtidsminder. En særlig population af hippocampale neuroner, kendt som stedceller, menes at skabe et internt navigationssystem. Først identificeret i rottehippocampus i 1971 af neurovidenskabsmanden John O'Keefe, placerer celler i brand, når et dyr er på et bestemt sted; forskellige stedceller koder forskellige steder. Dette system hjælper dyr med at bestemme, hvor de er, hvor de skal hen, og hvordan de kommer herfra til der. I 2014, O'Keefe blev tildelt Nobelprisen for hans opdagelse af stedceller, og i løbet af de sidste adskillige årtier er de blevet identificeret i flere primatarter, inklusive mennesker.

Men at flytte fra sted til sted er ikke den eneste måde, et dyr kan opleve en ændring i sine omgivelser. I dit hjem forbliver væggene og møblerne for det meste de samme fra dag til dag, sagde Michael Yartsev, der studerer det neurale grundlag for naturlig adfærd ved University of California, Berkeley og medleder det nye arbejde. Men den sociale kontekst i dit boligområde kan ændre sig ret regelmæssigt.

"Hvis folk kommer ind, bevæger de sig rundt, de interagerer," sagde Yartsev. Hvor disse mennesker befinder sig, og karakteren af ​​dit forhold til hver enkelt person påvirker, hvordan du bevæger dig gennem rummet. "Det rumlige miljø er meget dynamisk, men ikke fordi væggene bevæger sig," sagde han.

Yartsev mente, at fordi det sociale miljø er et konstant foranderligt træk ved det fysiske miljø, kan information om det kodes i pladsceller. Men ingen direkte test var nogensinde blevet udført i et meget socialt miljø, såsom i en frugtflagermuskoloni.

"Dette særlige aspekt [af miljøet], som er så iboende for alle vores liv, var aldrig blevet undersøgt før," sagde Yartsev.

For at få indsigt i, hvordan hjernen kan navigere i det sociale miljø, har Yartsev og hans postdoc. Angelo Forli kiggede på egyptiske frugtflagermus, som de tidligere havde brugt i undersøgelser af hjernens navigationsledninger.

I Yartsevs laboratorium byggede de en kunstig hule: et flyverum i stuestørrelse designet til at måle flagermusens hjerneaktivitet, mens de sporer deres adfærd. Fem til syv flagermus ad gangen kunne frit flyve rundt i lokalet, som var foret med lyddæmpende skum og udstyret med siddepinde og frugt at spise. For at følge flagermusens præcise 3D-bevægelser udstyrede forskerne halsbånd med accelerometre og mobile tags - modificeret fra systemer, der bruges til at spore pakker i varehuse - som kommunikerede med sensorer installeret i rummets vægge. Holdet implanterede også bittesmå elektroder i flagermusens hjerner for trådløst at optage hippocampale neuroner, der skyder, mens dyrene fløj rundt i deres indhegning og interagerede med hinanden.

Forskerne lagde al denne omfattende indsats i deres eksperimentelle opsætning, så de kunne undersøge flagermusens spontane sociale interaktioner, som formodentlig ville være som dem, man oplevede i naturen. Det betød stort set at overlade flagermusene til sig selv uden menneskelig indblanding.

"Idéen var bare at tage mennesker ud af rummet," sagde Yartsev og lod flagermus gøre, hvad flagermus normalt gør.

Som forventet ændrede stedcellerne for en given flagermus deres aktivitet baseret på flagermusens placering i hulen. Visse stedceller affyrede hyppigere, når flagermusen var et bestemt sted, mens andre øgede deres affyring, når flagermusen var et andet sted.

Tilstedeværelsen eller fraværet af andre flagermus påvirkede også neuronernes affyring. Da en flagermus gik ind til en landing, opførte stedcellerne sig forskelligt afhængigt af, om der var en hyggekammerat på landingsstedet. Hvad mere er, neuronerne så ud til at kode identiteten af ​​specifikke flagermus, og adskilte venner fra bekendte. Hvis en flagermus landede ved siden af ​​en tæt social kontakt, opførte neuronerne sig anderledes, end hvis den landede i nærheden af ​​en flagermus, den ikke brugte meget tid med.

Kort sagt så flagermusens navigationssystem ud til at fungere dobbelt som et socialt kort. Pattedyrene bevægede sig ikke bare rundt i deres hjem - de brugte også nøjagtig de samme hjerneceller til at spore, hvem der var i lokalerne.

"[Forskerne] slår det ud af parken med hensyn til at studere neurovidenskaben om en naturlig adfærd," sagde adfærdsneurologen Andy Alexander fra University of California, Santa Barbara, som ikke var involveret i undersøgelsen.

Opdagelsen ansporede straks spørgsmål om, hvorvidt denne genbrug af hippocampale stedceller gælder ud over egyptiske frugtflagermus i udviklingen af ​​den sociale hjerne. Hippocampus er en gammel hjernestruktur: Den er meget bevaret blandt pattedyr med forskellig livsstil og grader af socialitet, fra stort set ensomme næbdyr til meget fælles mennesker. Det er muligt, at hippocampus navigationssystem logger det sociale miljø på samme måde på tværs af arter. Det er dog lige så muligt, at stedets kredsløb kun udviklede dette dobbelte formål i den egyptiske frugtflagermus. Kun yderligere forskning kan udfylde hullerne.

Resultaterne går ud over det sociale kort. De passer også med begrebet blandet selektivitet, sagde Alexander: ideen om, at det er mere beregningsmæssigt effektivt for enkelte neuroner at kode flere funktioner i miljøet.

I den forstand, sagde Forli, kan hippocampus være som et kraftfuldt grafikkort i en computer, som kan have mange anvendelsesmuligheder, fra gengivelse af grafik til videospil til at udføre maskinlæringsberegninger. Hippocampus kan være fantastisk til bestemte former for beregninger og kan have evnen til at blive modificeret eller programmeret af evolution.

"Vi har klassisk tænkt på hippocampus som at have disse [sted] celler, der koder bestemte steder i rummet," sagde Alexander. "Men jeg tror mere og mere, at vi opdager, at det faktisk er meget adaptivt og fleksibelt, og at hippocampus vil kode for alle mulige ting afhængigt af, hvad du præsenterer for det."

Quanta gennemfører en række undersøgelser for bedre at kunne betjene vores publikum. Tag vores biologi læserundersøgelse og du vil være med til at vinde gratis Quanta varer.