Lepakot käyttävät samoja aivosoluja fyysisten ja sosiaalisten maailmojen kartoittamiseen | Quanta-lehti

Luolan nurkassa roikkuva hedelmälepakko kiihtyy; se on valmis liikkumaan. Se skannaa tilaa etsiäkseen vapaata ahventa ja lähtee sitten lentoon säätämällä kalvomaisia ​​siipiään lähestyäkseen kohtaa jonkin sumean kaverinsa vieressä. Kun se tekee niin, sen aivoista nostetut neurologiset tiedot lähetetään luolan seiniin asennettuihin sensoreihin.

Tämä ei ole leuto Välimeren luola. Egyptiläisten hedelmälepakoiden ryhmä on Berkeleyssä, Kaliforniassa, navigoimassa keinotekoisessa luolassa laboratoriossa, jonka tutkijat ovat perustaneet tutkimaan eläinten mielen sisäistä toimintaa.

Tutkijoilla oli idea: kun lepakko navigoi fyysisessä ympäristössään, se navigoi myös sosiaalisten suhteiden verkostossa. He halusivat tietää, käyttävätkö lepakot samoja vai eri osia aivoistaan ​​näiden risteävien todellisuuksien kartoittamiseen.

Uudessa tutkimuksessa, joka julkaistiin luonto elokuussa tutkijat paljastivat, että nämä kartat menevät päällekkäin. Lepakkolle sen omasta sijainnista ilmoittavat aivosolut koodaavat myös tietoja muista lähellä olevista lepakoista – ei vain niiden sijainnista, vaan myös niiden henkilöllisyydestä. Löydökset nostavat esiin kiehtovan mahdollisuuden, että evoluutio voi ohjelmoida nämä neuronit useisiin tarkoituksiin palvelemaan eri lajien tarpeita.

Kyseiset neuronit sijaitsevat hippokampuksessa, syvällä nisäkkään aivoissa olevassa rakenteessa, joka osallistuu pitkäaikaisten muistojen luomiseen. Erityinen hippokampuksen hermosolujen populaatio, joka tunnetaan paikkasoluina, uskotaan luovan sisäisen navigointijärjestelmän. Neurotieteilijä John O'Keefe tunnisti ensimmäisen kerran rotan hippokampuksessa vuonna 1971, paikkasolut syttyvät, kun eläin on tietyssä paikassa; eri paikkasolut koodaavat eri paikkoja. Tämä järjestelmä auttaa eläimiä määrittämään, missä ne ovat, minne heidän täytyy mennä ja kuinka päästä täältä sinne. Vuonna 2014 O'Keefe sai Nobel-palkinnon hänen paikkasolujen löydöstään, ja viime vuosikymmeninä niitä on tunnistettu useissa kädellislajeissa, mukaan lukien ihmiset.

Liikkuminen paikasta toiseen ei kuitenkaan ole ainoa tapa, jolla eläin voi kokea muutoksen ympäristössään. Kotonasi seinät ja huonekalut pysyvät pääosin samoina päivästä toiseen, sanoi Michael Yartsev, joka tutkii luonnollisen käyttäytymisen hermopohjaa Kalifornian yliopistossa Berkeleyssä ja johti uutta työtä. Mutta asuintilan sosiaalinen konteksti voi muuttua melko säännöllisesti.

"Jos ihmiset tulevat sisään, he liikkuvat ja ovat vuorovaikutuksessa", Yartsev sanoi. Missä nämä ihmiset sijaitsevat ja suhteesi luonne jokaiseen yksilöön vaikuttaa siihen, kuinka liikut tilassa. "Avaruusympäristö on erittäin dynaaminen, mutta ei siksi, että seinät liikkuvat", hän sanoi.

Yartsev ajatteli, että koska sosiaalinen ympäristö on fyysisen ympäristön jatkuvasti muuttuva ominaisuus, sitä koskeva tieto saattaa olla koodattu paikkasoluihin. Mutta suoraa testiä ei ollut koskaan tehty erittäin sosiaalisessa ympäristössä, kuten hedelmälepakkoyhdyskunnassa.

"Tätä erityistä [ympäristön] näkökohtaa, joka on niin luontainen meidän kaikkien elämään, ei ollut koskaan tutkittu aiemmin", Yartsev sanoi.

Yartsev ja hänen tutkijatohtorinsa saadakseen käsityksen siitä, kuinka aivot voivat navigoida sosiaalisessa ympäristössä Angelo Forli katsoivat egyptiläisiä hedelmälepakoita, joita he olivat aiemmin käyttäneet aivojen navigointijohdotuksen tutkimuksissa.

Yartsevin laboratoriossa he rakensivat keinotekoisen luolan: olohuoneen kokoisen lentohuoneen, joka oli suunniteltu mittaamaan lepakoiden aivotoimintaa samalla kun seurataan niiden käyttäytymistä. Viidestä seitsemään lepakoita sai lentää kerrallaan vapaasti ympäri huonetta, joka oli vuorattu ääntä vaimentavalla vaahdolla ja varustettu ahvenilla ja hedelmillä syötäväksi. Seuratakseen lepakoiden tarkkoja 3D-liikkeitä tutkijat varustivat kaulukset kiihtyvyysantureilla ja mobiilitunnisteilla – joita muunnettiin varastoissa olevien pakettien seurantaan käytetyistä järjestelmistä – jotka kommunikoivat huoneen seiniin asennettujen antureiden kanssa. Tiimi istutti myös pieniä elektrodeja lepakoiden aivoihin tallentaakseen langattomasti hippokampuksen hermosolujen laukeamista, kun eläimet lensivät aitauksensa ympäri ja olivat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa.

Tutkijat panivat kaiken tämän monimutkaisen ponnistelun kokeellisiin järjestelyihinsä, jotta he voisivat tutkia lepakoiden spontaaneja sosiaalisia vuorovaikutuksia, jotka oletettavasti ovat samanlaisia ​​kuin luonnossa koetut. Tämä tarkoitti pitkälti lepakoiden jättämistä omiin käsiinsä ilman ihmisten sekaantumista.

"Ajatuksena oli vain viedä ihmiset ulos huoneesta", Yartsev sanoi ja antoi lepakoiden tehdä sitä, mitä lepakot yleensä tekevät.

Kuten odotettiin, tietyn lepakon paikkasolut muuttivat toimintaansa lepakkon sijainnin perusteella luolassa. Tietyt paikkasolut ampuivat useammin, kun maila oli tietyssä paikassa, kun taas toiset lisäsivät ampumistaan, kun maila oli jossain muualla.

Muiden lepakoiden läsnäolo tai puuttuminen vaikutti myös hermosolujen laukaisuun. Kun lepakko meni laskeutumaan, paikkasolut käyttäytyivät eri tavalla sen mukaan, oliko laskeutumispaikalla polvikaveri. Lisäksi neuronit näyttivät koodaavan tiettyjen lepakoiden identiteetin, mikä erottaa ystävät tutuista. Jos lepakko laskeutui läheisen sosiaalisen kontaktin viereen, hermosolut käyttäytyivät eri tavalla kuin jos se laskeutui lepakkon lähelle, jonka kanssa se ei viettänyt paljon aikaa.

Lyhyesti sanottuna lepakoiden navigointijärjestelmä näytti tekevän kaksinkertaisen tehtävän sosiaalisena karttana. Nisäkkäät eivät vain liikkuneet kotonaan - he käyttivät myös täsmälleen samoja aivosoluja seuratakseen, kuka oli tiloissa.

"[Tutkijat] tyrmäsivät sen puistosta luonnollisen käyttäytymisen neurotieteen tutkimisen suhteen", sanoi käyttäytymisen neurotieteilijä. Andy Alexander Kalifornian yliopistosta Santa Barbarassa, joka ei ollut mukana tutkimuksessa.

Löytö herätti välittömästi kysymyksiä siitä, onko tämä hippokampuksen paikkasolujen uudelleenkäyttö sosiaalisten aivojen evoluutiossa muutakin kuin egyptiläisiä hedelmälepakoita. Hippokampus on ikivanha aivorakenne: se on hyvin säilynyt nisäkkäiden keskuudessa, joilla on erilaisia ​​elämäntapoja ja sosiaalisuus, enimmäkseen yksinäisistä vesinokkaeläimistä erittäin yhteisöllisiin ihmisiin. On mahdollista, että hippokampuksen navigointijärjestelmä kirjaa sosiaalisen ympäristön samalla tavalla eri lajeihin. On kuitenkin yhtä mahdollista, että paikkapiirit kehittivät tämän kaksoistarkoituksen vain egyptiläisessä hedelmälepakkossa. Vain lisätutkimukset voivat täyttää aukot.

Löydökset menevät sosiaalisen kartan ulkopuolelle. Ne sopivat myös sekaselektiivisyyden käsitteeseen, Alexander sanoi: ajatus siitä, että yksittäisten neuronien on laskennallisesti tehokkaampaa koodata useita ympäristön ominaisuuksia.

Tässä mielessä, Forli sanoi, hippokampus voi olla kuin tehokas näytönohjain tietokoneessa, jolla voi olla monia käyttötarkoituksia, grafiikan renderöimisestä videopeleihin koneoppimislaskelmien suorittamiseen. Hippokampus voi olla loistava tietyntyyppisissä laskelmissa, ja sillä voi olla kyky muokata tai ohjelmoida evoluution avulla.

"Olemme perinteisesti ajatellut aivotursoa näiden [paikka]solujen sisältävänä, jotka koodaavat tiettyjä paikkoja avaruudessa", Alexander sanoi. "Mutta luulen, että huomaamme yhä enemmän, että se on itse asiassa erittäin mukautuva ja joustava ja että hippokampus koodaa kaikenlaisia ​​​​asioita riippuen siitä, mitä sille esität."

Quanta tekee sarjan kyselyjä palvellakseen paremmin yleisöämme. Ota meidän biologian lukijakysely ja pääset mukaan voittamaan ilmaiseksi Quanta kauppatavaraa.