Οι νυχτερίδες χρησιμοποιούν τα ίδια εγκεφαλικά κύτταρα για να χαρτογραφήσουν φυσικούς και κοινωνικούς κόσμους | Περιοδικό Quanta

Ένα ρόπαλο φρούτων που κρέμεται στη γωνία μιας σπηλιάς ανακατώνει. είναι έτοιμο να κινηθεί. Σαρώνει το χώρο για να ψάξει για μια ελεύθερη πέρκα και στη συνέχεια πετάει, προσαρμόζοντας τα μεμβρανώδη φτερά του ώστε να προσεγγίζουν μια γωνία σε ένα σημείο δίπλα σε έναν από τους ασαφείς συντρόφους του. Καθώς το κάνει, νευρολογικά δεδομένα που αφαιρούνται από τον εγκέφαλό του μεταδίδονται σε αισθητήρες που είναι εγκατεστημένοι στα τοιχώματα του σπηλαίου.

Αυτό δεν είναι γαλήνιο σπήλαιο κατά μήκος της Μεσογείου. Η ομάδα των αιγυπτιακών νυχτερίδων φρούτων βρίσκεται στο Μπέρκλεϋ της Καλιφόρνια και πλοηγείται σε μια τεχνητή σπηλιά σε ένα εργαστήριο που οι ερευνητές έχουν δημιουργήσει για να μελετήσουν τις εσωτερικές λειτουργίες του μυαλού των ζώων.

Οι ερευνητές είχαν μια ιδέα: ότι καθώς μια νυχτερίδα περιηγείται στο φυσικό της περιβάλλον, περιηγείται επίσης σε ένα δίκτυο κοινωνικών σχέσεων. Ήθελαν να μάθουν εάν οι νυχτερίδες χρησιμοποιούν τα ίδια ή διαφορετικά μέρη του εγκεφάλου τους για να χαρτογραφήσουν αυτές τις διασταυρούμενες πραγματικότητες.

Σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Φύση τον Αύγουστο, οι επιστήμονες αποκάλυψαν ότι αυτοί οι χάρτες αλληλοκαλύπτονται. Τα εγκεφαλικά κύτταρα που ενημερώνουν μια νυχτερίδα για τη δική της θέση κωδικοποιούν επίσης λεπτομέρειες για άλλες νυχτερίδες κοντά — όχι μόνο τη θέση τους, αλλά και την ταυτότητά τους. Τα ευρήματα εγείρουν την ενδιαφέρουσα πιθανότητα ότι η εξέλιξη μπορεί να προγραμματίσει αυτούς τους νευρώνες για πολλαπλούς σκοπούς ώστε να εξυπηρετούν τις ανάγκες διαφορετικών ειδών.

Οι εν λόγω νευρώνες βρίσκονται στον ιππόκαμπο, μια δομή βαθιά μέσα στον εγκέφαλο των θηλαστικών που εμπλέκεται στη δημιουργία μακροπρόθεσμων αναμνήσεων. Ένας ειδικός πληθυσμός νευρώνων του ιππόκαμπου, γνωστά ως κύτταρα τόπου, πιστεύεται ότι δημιουργεί ένα εσωτερικό σύστημα πλοήγησης. Αναγνωρίστηκε για πρώτη φορά στον ιππόκαμπο του αρουραίου το 1971 από τον νευροεπιστήμονα John O'Keefe, τα κύτταρα πυροβολούν όταν ένα ζώο βρίσκεται σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία. διαφορετικά κελιά τόπου κωδικοποιούν διαφορετικά μέρη. Αυτό το σύστημα βοηθά τα ζώα να προσδιορίσουν πού βρίσκονται, πού πρέπει να πάνε και πώς να πάνε από εδώ ως εκεί. Το 2014, ο O'Keefe τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ για την ανακάλυψη των κυττάρων του τόπου, και τις τελευταίες δεκαετίες έχουν εντοπιστεί σε πολλά είδη πρωτευόντων, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων.

Ωστόσο, η μετακίνηση από μέρος σε μέρος δεν είναι ο μόνος τρόπος με τον οποίο ένα ζώο μπορεί να βιώσει μια αλλαγή στο περιβάλλον του. Στο σπίτι σας, οι τοίχοι και τα έπιπλα παραμένουν συνήθως ίδια από μέρα σε μέρα, είπε Μιχαήλ Γιάρτσεφ, ο οποίος μελετά τη νευρωνική βάση της φυσικής συμπεριφοράς στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Μπέρκλεϋ και συνεπικεφαλής της νέας εργασίας. Αλλά το κοινωνικό πλαίσιο του χώρου διαβίωσής σας θα μπορούσε να αλλάζει αρκετά τακτικά.

«Αν οι άνθρωποι μπαίνουν μέσα, κυκλοφορούν, αλληλεπιδρούν», είπε ο Γιάρτσεφ. Το πού βρίσκονται αυτοί οι άνθρωποι και η φύση της σχέσης σας με κάθε άτομο επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο θα κινηθείτε στον χώρο. «Το χωρικό περιβάλλον είναι πολύ δυναμικό, αλλά όχι επειδή τα τείχη κινούνται», είπε.

Ο Γιάρτσεφ σκέφτηκε ότι επειδή το κοινωνικό περιβάλλον είναι ένα διαρκώς μεταβαλλόμενο χαρακτηριστικό του φυσικού περιβάλλοντος, οι πληροφορίες για αυτό θα μπορούσαν να κωδικοποιηθούν σε κελιά τόπου. Αλλά δεν είχε πραγματοποιηθεί ποτέ καμία άμεση δοκιμή σε ένα άκρως κοινωνικό περιβάλλον, όπως σε μια αποικία νυχτερίδων φρούτων.

«Αυτή η συγκεκριμένη πτυχή [του περιβάλλοντος], που είναι τόσο εγγενής στη ζωή όλων μας, δεν είχε μελετηθεί ποτέ πριν», είπε ο Γιάρτσεφ.

Για να αποκτήσουν μια εικόνα για το πώς ο εγκέφαλος μπορεί να περιηγηθεί στο κοινωνικό περιβάλλον, ο Yartsev και ο μεταδιδακτορικός συνεργάτης του Άντζελο Φορλί κοίταξαν τις αιγυπτιακές νυχτερίδες φρούτων, τις οποίες είχαν χρησιμοποιήσει προηγουμένως σε μελέτες της καλωδίωσης πλοήγησης του εγκεφάλου.

Στο εργαστήριο του Yartsev έχτισαν μια τεχνητή σπηλιά: μια αίθουσα πτήσης σε μέγεθος καθιστικού, σχεδιασμένη να μετράει την εγκεφαλική δραστηριότητα των νυχτερίδων ενώ παρακολουθεί τη συμπεριφορά τους. Πέντε έως επτά νυχτερίδες κάθε φορά ήταν ελεύθερες να πετούν γύρω από το δωμάτιο, το οποίο ήταν επενδεδυμένο με αφρό που σβήνει τον ήχο και εξοπλισμένο με κούρνιες και φρούτα για φαγητό. Για να παρακολουθήσουν τις ακριβείς τρισδιάστατες κινήσεις των νυχτερίδων, οι ερευνητές εξόπλισαν περιλαίμια με επιταχυνσιόμετρα και κινητές ετικέτες - τροποποιημένες από συστήματα που χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση πακέτων μέσα στις αποθήκες - που επικοινωνούσαν με αισθητήρες που ήταν εγκατεστημένοι στους τοίχους του δωματίου. Η ομάδα εμφύτευσε επίσης μικροσκοπικά ηλεκτρόδια στον εγκέφαλο των νυχτερίδων για να καταγράψει ασύρματα τους νευρώνες του ιππόκαμπου να πυροβολούν καθώς τα ζώα πετούσαν γύρω από το περίβλημά τους και αλληλεπιδρούσαν μεταξύ τους.

Οι ερευνητές κατέβαλαν όλη αυτή την περίπλοκη προσπάθεια στην πειραματική τους οργάνωση, ώστε να μπορέσουν να διερευνήσουν τις αυθόρμητες κοινωνικές αλληλεπιδράσεις των νυχτερίδων, οι οποίες πιθανώς θα ήταν σαν αυτές που βιώνουν στην άγρια ​​φύση. Αυτό σήμαινε σε μεγάλο βαθμό να αφήσουν τις νυχτερίδες στην τύχη τους χωρίς ανθρώπινη παρέμβαση.

«Η ιδέα ήταν απλώς να βγάλουμε τους ανθρώπους από το δωμάτιο», είπε ο Γιάρτσεφ και να αφήσουμε τις νυχτερίδες να κάνουν ό,τι κάνουν συνήθως οι νυχτερίδες.

Όπως ήταν αναμενόμενο, τα κελιά του τόπου για μια δεδομένη νυχτερίδα άλλαξαν τη δραστηριότητά τους με βάση τη θέση της νυχτερίδας στη σπηλιά. Ορισμένα σημεία πυροβολούσαν πιο συχνά όταν η νυχτερίδα βρισκόταν σε ένα συγκεκριμένο σημείο, ενώ άλλα αύξησαν τη βολή τους όταν η νυχτερίδα βρισκόταν κάπου αλλού.

Η παρουσία ή η απουσία άλλων νυχτερίδων επηρέασε επίσης την πυροδότηση των νευρώνων. Καθώς μια νυχτερίδα μπήκε για προσγείωση, τα κελιά του τόπου συμπεριφέρονταν διαφορετικά ανάλογα με το αν υπήρχε ένας συγκάτοικος στο σημείο προσγείωσης. Επιπλέον, οι νευρώνες φάνηκε να κωδικοποιούν την ταυτότητα συγκεκριμένων νυχτερίδων, ξεχωρίζοντας τους φίλους από τους γνωστούς. Εάν μια νυχτερίδα προσγειωνόταν δίπλα σε μια στενή κοινωνική επαφή, οι νευρώνες συμπεριφέρονταν διαφορετικά από ότι αν προσγειωνόταν κοντά σε μια νυχτερίδα με την οποία δεν περνούσε πολύ χρόνο.

Εν ολίγοις, το σύστημα πλοήγησης των νυχτερίδων φάνηκε να κάνει διπλό καθήκον ως κοινωνικός χάρτης. Τα θηλαστικά δεν κινούνταν μόνο στο σπίτι τους - χρησιμοποιούσαν επίσης τα ίδια ακριβώς εγκεφαλικά κύτταρα για να παρακολουθήσουν ποιος ήταν στις εγκαταστάσεις.

«[Οι ερευνητές] το έριξαν έξω από το πάρκο όσον αφορά τη μελέτη της νευροεπιστήμης μιας φυσικής συμπεριφοράς», είπε ο συμπεριφορικός νευροεπιστήμονας Άντι Αλεξάντερ του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη.

Η ανακάλυψη προκάλεσε αμέσως ερωτήματα σχετικά με το εάν αυτή η επαναχρησιμοποίηση των κυττάρων του τόπου του ιππόκαμπου ισχύει πέρα ​​από τις αιγυπτιακές νυχτερίδες φρούτων στην εξέλιξη του κοινωνικού εγκεφάλου. Ο ιππόκαμπος είναι μια αρχαία δομή του εγκεφάλου: Διατηρείται σε μεγάλο βαθμό μεταξύ των θηλαστικών με διαφορετικούς τρόπους ζωής και βαθμούς κοινωνικότητας, από μοναχικούς πλατύπους έως πολύ κοινόχρηστους ανθρώπους. Είναι πιθανό το σύστημα πλοήγησης του ιππόκαμπου να καταγράφει το κοινωνικό περιβάλλον παρόμοια μεταξύ των ειδών. Ωστόσο, είναι εξίσου πιθανό ότι το κύκλωμα θέσης εξέλιξε αυτόν τον διπλό σκοπό μόνο στην αιγυπτιακή νυχτερίδα φρούτων. Μόνο πρόσθετη έρευνα μπορεί να καλύψει τα κενά.

Τα ευρήματα ξεπερνούν τον κοινωνικό χάρτη. Ταιριάζουν επίσης με την έννοια της μικτής επιλεκτικότητας, είπε ο Alexander: η ιδέα ότι είναι πιο αποδοτικό υπολογιστικά για μεμονωμένους νευρώνες να κωδικοποιούν πολλαπλά χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος.

Υπό αυτή την έννοια, είπε ο Forli, ο ιππόκαμπος μπορεί να είναι σαν μια ισχυρή κάρτα γραφικών σε έναν υπολογιστή, η οποία μπορεί να έχει πολλές χρήσεις, από την απόδοση γραφικών για βιντεοπαιχνίδια έως την εκτέλεση υπολογισμών μηχανικής μάθησης. Ο ιππόκαμπος μπορεί να είναι εξαιρετικός σε συγκεκριμένα είδη υπολογισμών και μπορεί να έχει την ικανότητα να τροποποιείται ή να προγραμματίζεται από την εξέλιξη.

"Έχουμε σκεφτεί κλασικά ότι ο ιππόκαμπος έχει αυτά τα [τόπο] κύτταρα που κωδικοποιούν συγκεκριμένες τοποθεσίες στο διάστημα", είπε ο Alexander. «Αλλά νομίζω ότι όλο και περισσότερο ανακαλύπτουμε ότι είναι στην πραγματικότητα εξαιρετικά προσαρμοστικό και ευέλικτο και ότι ο ιππόκαμπος θα κωδικοποιεί για όλα τα είδη, ανάλογα με το τι του παρουσιάζετε».

Quanta διεξάγει μια σειρά από έρευνες για την καλύτερη εξυπηρέτηση του κοινού μας. Πάρτε το δικό μας έρευνα αναγνωστών βιολογίας και θα μπείτε για να κερδίσετε δωρεάν Quanta εμπορεύματα.