A denevérek ugyanazokat az agysejteket használják a fizikai és társadalmi világok feltérképezéséhez | Quanta Magazin

A barlang sarkában lógó gyümölcsdenevér felkavar; készen áll a mozgásra. Átpásztázza a teret, hogy egy szabad süllőt keressen, majd felrepül, és hártyás szárnyait úgy állítja be, hogy szögben közelítsen az egyik elmosódott társ melletti helyhez. Ennek során az agyából származó neurológiai adatok a barlang falaiba szerelt érzékelőkhöz kerülnek.

Ez nem egy langyos barlang a Földközi-tenger mentén. Az egyiptomi gyümölcsdenevérek csoportja a kaliforniai Berkeleyben tartózkodik, és egy mesterséges barlangban navigál egy laboratóriumban, amelyet a kutatók az állatok elméjének belső működésének tanulmányozására hoztak létre.

A kutatóknak volt egy ötlete: ahogy a denevér navigál a fizikai környezetében, úgy a társadalmi kapcsolatok hálózatában is navigál. Azt akarták tudni, hogy a denevérek agyuk ugyanazt vagy különböző részeit használják-e fel az egymást keresztező valóságok feltérképezésére.

Egy új, a Természet augusztusban a tudósok felfedték, hogy ezek a térképek átfedik egymást. Az agysejtek, amelyek a denevért a saját helyükről tájékoztatják, a közelben lévő többi denevér adatait is kódolják – nem csak a tartózkodási helyüket, hanem a személyazonosságukat is. Az eredmények felvetik annak az érdekes lehetőségét, hogy az evolúció többféle célra is programozhatja ezeket a neuronokat, hogy a különböző fajok igényeit szolgálják.

A szóban forgó neuronok a hippocampusban találhatók, egy mélyen az emlősagyban található struktúrában, amely részt vesz a hosszú távú emlékek létrehozásában. A hippocampális neuronok speciális populációja, az úgynevezett helysejtek, úgy gondolják, hogy belső navigációs rendszert hoz létre. Először 1971-ben John O'Keefe idegtudós azonosította a patkány hippokampuszában, a helysejtek tüzelnek, amikor egy állat egy adott helyen van; különböző helycellák különböző helyeket kódolnak. Ez a rendszer segít az állatoknak meghatározni, hol vannak, hová kell menniük, és hogyan juthatnak el innen oda. 2014-ben O'Keefe Nobel-díjjal jutalmazták helysejtek felfedezéséért, és az elmúlt néhány évtizedben számos főemlősfajban azonosították őket, beleértve az embert is.

Azonban nem az egyetlen módja annak, hogy egy állat megváltozzon a környezetében, ha egyik helyről a másikra mozog. Otthonában a falak és a bútorok többnyire ugyanazok maradnak napról napra, mondta Michael Yartsev, aki a Berkeley-i Kaliforniai Egyetemen tanulmányozza a természetes viselkedés neurális alapjait, és az új munka egyik vezetője. De életterének társadalmi kontextusa rendszeresen változhat.

"Ha az emberek bejönnek, mozognak, interakcióba lépnek" - mondta Jarcev. Az, hogy hol tartózkodnak ezek az emberek, és az egyes egyénekhez fűződő kapcsolatod természete befolyásolja, hogyan mozogsz a térben. „A térbeli környezet nagyon dinamikus, de nem azért, mert a falak mozognak” – mondta.

Jarcev úgy gondolta, hogy mivel a társadalmi környezet a fizikai környezet állandóan változó jellemzője, előfordulhat, hogy a rá vonatkozó információk helycellákba vannak kódolva. De soha nem végeztek közvetlen tesztet erősen szociális környezetben, például egy gyümölcsdenevér kolóniában.

"A [környezetnek] ezt a sajátos aspektusát, amely mindannyiunk életében olyannyira velejárója, korábban soha nem tanulmányozták" - mondta Jarcev.

Hogy betekintést nyerjen abba, hogyan navigálhat az agy a társadalmi környezetben, Yartsev és posztdoktori munkatársa Angelo Forli az egyiptomi gyümölcsdenevéreket vizsgálták, amelyeket korábban az agy navigációs vezetékeinek tanulmányozására használtak.

Yartsev laboratóriumában mesterséges barlangot építettek: egy nappali méretű repülőszobát, amelyet a denevérek agyi aktivitásának mérésére terveztek, miközben nyomon követik viselkedésüket. Egyszerre öt-hét denevér repülhetett a hangtompító habbal bélelt, ülőrudakkal és ennivaló gyümölccsel felszerelt helyiségben. A denevérek precíz 3D-s mozgásának követésére a kutatók a nyakörveket gyorsulásmérőkkel és mobil címkékkel látták el – amelyeket a raktárakon belüli csomagok nyomon követésére használt rendszerekből módosítottak –, amelyek kommunikáltak a helyiség falaiba szerelt érzékelőkkel. A csapat apró elektródákat is ültetett a denevérek agyába, hogy vezeték nélkül rögzítse a hippocampális neuronok tüzelődését, amikor az állatok körbe-körbe repkednek és kölcsönhatásba lépnek egymással.

A kutatók mindezt a kidolgozott erőfeszítést kísérleti rendszerükbe fektették annak érdekében, hogy megvizsgálhassák a denevérek spontán társas interakcióit, amelyek feltehetően a vadonban tapasztaltakhoz hasonlóak. Ez nagyrészt azt jelentette, hogy a denevéreket emberi beavatkozás nélkül magukra hagyták.

„Az ötlet csak az volt, hogy kivigyük az embereket a szobából” – mondta Jarcev, és hagyta, hogy a denevérek azt csinálják, amit a denevérek általában.

Ahogy az várható volt, az adott denevér helysejtjei megváltoztatták tevékenységüket a denevér barlangbeli elhelyezkedése alapján. Egyes helysejtek gyakrabban lőttek, amikor az ütő egy adott helyen volt, míg mások fokozták a tüzelést, amikor az ütő valahol máshol volt.

Más denevérek jelenléte vagy hiánya szintén befolyásolta a neuronok tüzelését. Amikor egy denevér bement leszállásra, a helysejtek eltérően viselkedtek attól függően, hogy volt-e kakastárs a leszállóhelyen. Sőt, úgy tűnt, hogy a neuronok meghatározott denevérek kilétét kódolják, megkülönböztetve a barátokat az ismerősöktől. Ha egy denevér egy szoros társas érintkezés mellett landolt, a neuronok másképp viselkedtek, mint ha egy olyan denevér közelében landoltak, akivel nem töltött sok időt.

Röviden, úgy tűnt, hogy a denevérek navigációs rendszere kettős feladatot lát el társadalmi térképként. Az emlősök nem csak az otthonukban mozogtak – pontosan ugyanazokat az agysejteket használták arra is, hogy nyomon kövessék, kik tartózkodtak a helyszínen.

"[A kutatók] kiütötték a parkból a természetes viselkedés idegtudományának tanulmányozása tekintetében" - mondta a viselkedési idegkutató Andy Alexander a Santa Barbara-i Kaliforniai Egyetem munkatársa, aki nem vett részt a vizsgálatban.

A felfedezés azonnal felvetette a kérdéseket azzal kapcsolatban, hogy a hippocampális helysejtek újrafelhasználása az egyiptomi gyümölcsdenevéreken túl érvényesül-e a szociális agy fejlődésében. A hippokampusz egy ősi agyi struktúra: erősen konzervált emlősök körében, változatos életmóddal és szocialitási fokokkal, a nagyrészt magányos kacskaringós kacskaringós állatoktól a nagyon közösségi emberekig. Lehetséges, hogy a hippokampusz navigációs rendszere fajok között hasonlóan naplózza a társadalmi környezetet. Ugyanakkor az is lehetséges, hogy a helyáramkör csak az egyiptomi gyümölcsdenevérben fejlesztette ki ezt a kettős célt. Csak további kutatások pótolhatják a hiányosságokat.

Az eredmények túlmutatnak a társadalmi térképen. Szintén illeszkednek a vegyes szelektivitás koncepciójához, mondta Alexander: az az elképzelés, hogy számításilag hatékonyabb, ha egyetlen neuron kódolja a környezet több jellemzőjét.

Ebben az értelemben Forli szerint a hippokampusz olyan lehet, mint egy nagy teljesítményű grafikus kártya a számítógépben, amelynek számos felhasználási területe lehet, a videojátékok grafikus megjelenítésétől a gépi tanulási számítások végrehajtásáig. A hippokampusz nagyszerű lehet bizonyos típusú számításoknál, és képes lehet az evolúció által módosítani vagy programozni.

„Klasszikusan úgy gondoltuk, hogy a hippokampusz olyan [helyi] sejtekkel rendelkezik, amelyek bizonyos helyeket kódolnak a térben” – mondta Alexander. "De azt hiszem, egyre többen fedezzük fel, hogy valójában rendkívül alkalmazkodó és rugalmas, és hogy a hippokampusz mindenféle dolgot kódol, attól függően, hogy mit mutatsz be neki."

Quanta felméréssorozatot végez közönségünk jobb kiszolgálása érdekében. Vidd a miénket biológia olvasói felmérés és ingyenesen nyerhetsz Quanta áru.