Nahkhiired kasutavad füüsilise ja sotsiaalse maailma kaardistamiseks samu ajurakke | Quanta ajakiri

Koopa nurgas rippuv puuvilja-nahkhiir segab; see on valmis liikuma. See skaneerib ruumi, et otsida vaba ahvenat ja tõuseb seejärel lendu, kohandades oma membraanseid tiibu, et läheneda ühele oma hägusa kaaslase kõrval asuvale kohale. Seda tehes edastatakse tema ajust võetud neuroloogilised andmed koopa seintesse paigaldatud anduritele.

See ei ole Vahemere äärne pehme koobas. Egiptuse puuviljanahkhiirte rühm on Californias Berkeleys ja navigeerib tehiskoopas laboris, mille teadlased on loonud, et uurida loomade mõistuse sisemist tööd.

Teadlastel oli idee: kui nahkhiir liigub oma füüsilises keskkonnas, navigeerib ta ka sotsiaalsete suhete võrgustikus. Nad tahtsid teada, kas nahkhiired kasutavad nende ristuvate reaalsuste kaardistamiseks oma aju samu või erinevaid osi.

Uues uuringus avaldatud loodus augustis avastasid teadlased, et need kaardid kattuvad. Ajurakud, mis teavitavad nahkhiirt tema enda asukohast, kodeerivad andmeid ka teiste läheduses asuvate nahkhiirte kohta – mitte ainult nende asukoha, vaid ka identiteedi kohta. Leiud tõstatavad intrigeeriva võimaluse, et evolutsioon võib neid neuroneid programmeerida mitmel eesmärgil, et rahuldada erinevate liikide vajadusi.

Kõnealused neuronid asuvad hipokampuses, sügaval imetajate ajus asuvas struktuuris, mis on seotud pikaajaliste mälestuste loomisega. Arvatakse, et hipokampuse neuronite eriline populatsioon, mida nimetatakse koharakkudeks, loob sisemise navigatsioonisüsteemi. Esimest korda tuvastas neuroteadlane John O'Keefe 1971. aastal roti hipokampuses, et rakud süttivad, kui loom on kindlas kohas; erinevad kohalahtrid kodeerivad erinevaid kohti. See süsteem aitab loomadel määrata, kus nad on, kuhu nad peavad minema ja kuidas siit sinna jõuda. 2014. aastal O'Keefe pälvis Nobeli preemia koharakkude avastamise eest ja viimaste aastakümnete jooksul on neid tuvastatud mitmel primaadiliigil, sealhulgas inimestel.

Kuid ühest kohast teise liikumine ei ole ainus viis, kuidas loom võib kogeda muutusi oma ümbruses. Teie kodus jäävad seinad ja mööbel enamasti päevast päeva samaks, ütles Michael Yartsev, kes uurib Berkeley California ülikoolis loomuliku käitumise neuraalseid aluseid ja juhtis uut tööd. Kuid teie eluruumi sotsiaalne kontekst võib üsna regulaarselt muutuda.

"Kui inimesed tulevad sisse, liiguvad nad ringi, suhtlevad," ütles Yartsev. Nende inimeste asukoht ja teie suhte olemus iga inimesega mõjutab seda, kuidas te ruumis liigute. "Ruumikeskkond on väga dünaamiline, kuid mitte sellepärast, et seinad liiguvad," ütles ta.

Jartsev arvas, et kuna sotsiaalne keskkond on füüsilise keskkonna pidevalt muutuv tunnus, võib teave selle kohta olla kodeeritud koharakkudesse. Kuid väga sotsiaalses keskkonnas, näiteks puuvilja-nahkhiirte koloonias, pole kunagi tehtud ühtegi otsest testi.

"Seda konkreetset [keskkonna] aspekti, mis on meie kõigi eludele nii omane, polnud kunagi varem uuritud," ütles Yartsev.

Et saada ülevaade sellest, kuidas aju võib sotsiaalses keskkonnas navigeerida, Yartsev ja tema järeldoktor Angelo Forli uurisid Egiptuse puu-nahkhiire, mida nad olid varem kasutanud aju navigatsioonijuhtmete uurimisel.

Jartsevi laboris ehitasid nad kunstliku koopa: elutoasuuruse lennuruumi, mille eesmärk oli mõõta nahkhiirte ajutegevust, jälgides samal ajal nende käitumist. Helisummutava vahuga vooderdatud ruumis võis korraga lennata viis kuni seitse nahkhiirt, mis olid varustatud õrrete ja söömiseks mõeldud puuviljadega. Nahkhiirte täpsete 3D-liigutuste jälgimiseks varustasid teadlased kaelarihmad kiirendusmõõturite ja mobiilsete siltidega, mida muudeti ladudes pakkide jälgimiseks kasutatavatest süsteemidest, mis suhtlesid ruumi seintesse paigaldatud anduritega. Meeskond implanteeris nahkhiirte ajudesse ka pisikesed elektroodid, et registreerida juhtmevabalt hipokampuse neuronid, mis tulistavad, kui loomad oma aedikus ringi lendasid ja üksteisega suhtlesid.

Teadlased panid kõik need keerukad jõupingutused oma eksperimentaalsesse seadistusse, et nad saaksid uurida nahkhiirte spontaanseid sotsiaalseid suhtlusi, mis eeldatavasti sarnaneksid looduses kogetutega. See tähendas suures osas nahkhiirte omapäi jätmist ilma inimese sekkumiseta.

"Idee oli lihtsalt inimesed toast välja viia," ütles Jartsev ja lasi nahkhiirtel teha seda, mida nahkhiired tavaliselt teevad.

Nagu oodatud, muutsid antud nahkhiire koharakud oma tegevust nahkhiire asukoha põhjal koopas. Teatud koharakud tulistasid sagedamini, kui nahkhiir oli kindlas kohas, samas kui teised suurendasid tulistamist, kui nahkhiir oli kusagil mujal.

Teiste nahkhiirte olemasolu või puudumine mõjutas ka neuronite tulistamist. Kui nahkhiir läks maandumisele, käitusid koharakud erinevalt sõltuvalt sellest, kas maandumiskohas oli kaaslane. Veelgi enam, neuronid tundusid kodeerivat konkreetsete nahkhiirte identiteeti, eristades sõpru tuttavatest. Kui nahkhiir maandus lähedase sotsiaalse kontakti kõrvale, käitusid neuronid teisiti kui nahkhiire lähedal, kellega ta ei veetnud palju aega.

Lühidalt, nahkhiirte navigatsioonisüsteem näis täitvat sotsiaalse kaardina topeltülesannet. Imetajad ei liikunud ainult oma kodus – nad kasutasid ka täpselt samu ajurakke, et jälgida, kes kohapeal viibib.

"[Teadlased] löövad selle loomuliku käitumise neuroteaduse uurimisel pargist välja," ütles käitumisneuroteadlane. Andy Aleksander California ülikoolist, Santa Barbarast, kes ei osalenud uuringus.

Avastus tekitas koheselt küsimuse, kas selline hipokampuse koharakkude taaskasutamine kehtib sotsiaalse aju arengus väljaspool Egiptuse puu-nahkhiire. Hipokampus on iidne ajustruktuur: see on väga konserveerunud erineva elustiili ja sotsiaalsusastmega imetajate seas, alates suures osas üksildasetest lindlikest kuni väga kommunaaleluliste inimesteni. Võimalik, et hipokampuse navigatsioonisüsteem logib sotsiaalset keskkonda liikide lõikes sarnaselt. Siiski on samavõrra võimalik, et koha skeem arendas selle kahe eesmärgi välja ainult Egiptuse puuviljanahkhiires. Ainult lisauuringud võivad lüngad täita.

Leiud ulatuvad sotsiaalsest kaardist kaugemale. Nad sobivad ka segaselektiivsuse kontseptsiooniga, ütles Alexander: idee, et üksikute neuronite jaoks on arvutuslikult tõhusam kodeerida mitmeid keskkonna funktsioone.

Selles mõttes võib Forli sõnul hipokampus olla nagu võimas graafikakaart arvutis, millel võib olla palju kasutusvõimalusi, alates videomängude graafika renderdamisest kuni masinõppe arvutuste tegemiseni. Hipokampus võib olla suurepärane teatud tüüpi arvutustes ja seda võib evolutsiooni abil muuta või programmeerida.

"Oleme klassikaliselt arvanud, et hipokampus sisaldab neid [koha-] rakke, mis kodeerivad teatud asukohti ruumis," ütles Alexander. "Kuid ma arvan, et üha enam avastame, et see on tegelikult väga kohanemisvõimeline ja paindlik ning et hipokampus kodeerib igasuguseid asju sõltuvalt sellest, mida te talle esitate."

Quanta viib läbi mitmeid küsitlusi, et meie vaatajaskonda paremini teenindada. Võtke meie bioloogia lugejaküsitlus ja teid osaletakse tasuta võitmiseks Quanta kaubad.