Nietoperze używają tych samych komórek mózgowych do mapowania świata fizycznego i społecznego | Magazyn Quanta

Nietoperz owocożerny wiszący w kącie jaskini porusza się; jest gotowy do ruchu. Skanuje przestrzeń w poszukiwaniu wolnego okonia, a następnie wznosi się do lotu, dostosowując swoje błoniaste skrzydła, aby ustawić kąt podejścia do miejsca obok jednego ze swoich puszystych towarzyszy. W tym czasie dane neurologiczne pobrane z mózgu są przesyłane do czujników zainstalowanych w ścianach jaskini.

To nie jest spokojna jaskinia nad Morzem Śródziemnym. Grupa egipskich nietoperzy owocożernych przebywa w Berkeley w Kalifornii i porusza się po sztucznej jaskini w laboratorium, które naukowcy utworzyli w celu badania wewnętrznego funkcjonowania umysłów zwierząt.

Naukowcy wpadli na pomysł: tak jak nietoperz porusza się po swoim środowisku fizycznym, porusza się także po sieci relacji społecznych. Chcieli wiedzieć, czy nietoperze używają tych samych, czy różnych części mózgu do tworzenia map krzyżujących się rzeczywistości.

W nowym badaniu opublikowanym w Natura w sierpniu naukowcy ujawnili, że mapy te pokrywają się. Komórki mózgowe informujące nietoperza o jego własnej lokalizacji kodują również szczegółowe informacje na temat innych nietoperzy w pobliżu – nie tylko ich lokalizację, ale także tożsamość. Odkrycia wskazują na intrygującą możliwość, że ewolucja może zaprogramować te neurony do wielu celów, aby służyć potrzebom różnych gatunków.

Neurony, o których mowa, znajdują się w hipokampie – strukturze znajdującej się głęboko w mózgu ssaków, która bierze udział w tworzeniu wspomnień długotrwałych. Uważa się, że specjalna populacja neuronów hipokampa, zwana komórkami miejsca, tworzy wewnętrzny system nawigacji. Po raz pierwszy zidentyfikowany w hipokampie szczura w 1971 roku przez neurologa Johna O'Keefe, komórki miejsca zapalają się, gdy zwierzę znajduje się w określonym miejscu; komórki różnych miejsc kodują różne miejsca. System ten pomaga zwierzętom określić, gdzie się znajdują, dokąd muszą się udać i jak się stąd dostać. W 2014 roku O'Keefe został uhonorowany Nagrodą Nobla za odkrycie komórek miejscowych, które w ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci zidentyfikowano u wielu gatunków naczelnych, w tym u ludzi.

Jednak przemieszczanie się z miejsca na miejsce nie jest jedynym sposobem, w jaki zwierzę może doświadczyć zmiany w swoim otoczeniu. W Twoim domu ściany i meble w większości pozostają takie same z dnia na dzień, powiedział Michał Jarcew, który bada neuronalne podstawy naturalnego zachowania na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley i jest współkierownikiem nowej pracy. Ale kontekst społeczny Twojej przestrzeni życiowej może się zmieniać dość regularnie.

„Jeśli ludzie przychodzą, poruszają się, wchodzą w interakcje” – powiedział Yartsev. Lokalizacja tych osób i charakter relacji z każdą osobą wpływa na sposób poruszania się w przestrzeni. „Środowisko przestrzenne jest bardzo dynamiczne, ale nie dlatego, że ściany się poruszają” – powiedział.

Yartsev pomyślał, że ponieważ środowisko społeczne jest stale zmieniającą się cechą środowiska fizycznego, informacje o nim mogą być zakodowane w komórkach miejsca. Jednak nigdy nie przeprowadzono żadnego bezpośredniego testu w środowisku wysoce towarzyskim, takim jak kolonia nietoperzy owocożernych.

„Ten konkretny aspekt [środowiska], tak nieodłączny od życia każdego z nas, nigdy wcześniej nie był badany” – powiedział Yartsev.

Aby uzyskać wgląd w to, jak mózg może poruszać się w środowisku społecznym, Yartsev i jego doktorant Angelo Forli przyjrzeli się egipskim nietoperzom owocożernym, których wcześniej używali w badaniach okablowania nawigacyjnego mózgu.

W laboratorium Yartseva zbudowali sztuczną jaskinię: salę lotów wielkości salonu, zaprojektowaną do pomiaru aktywności mózgu nietoperzy podczas śledzenia ich zachowania. Po pomieszczeniu wyłożonym pianką tłumiącą dźwięk i wyposażonym w żerdzie i owoce do jedzenia mogło latać od pięciu do siedmiu nietoperzy jednocześnie. Aby śledzić precyzyjne ruchy nietoperzy w 3D, badacze wyposażyli obroże w akcelerometry i mobilne znaczniki – zmodyfikowane na podstawie systemów używanych do śledzenia przesyłek w magazynach – które komunikowały się z czujnikami zainstalowanymi w ścianach pomieszczenia. Zespół wszczepił także maleńkie elektrody do mózgów nietoperzy, aby bezprzewodowo rejestrować pracę neuronów hipokampa, gdy zwierzęta latały wokół wybiegu i wchodziły ze sobą w interakcje.

Naukowcy włożyli cały ten skomplikowany wysiłek w układ eksperymentalny, aby móc zbadać spontaniczne interakcje społeczne nietoperzy, które prawdopodobnie przypominałyby te, których doświadcza się na wolności. Oznaczało to w dużej mierze pozostawienie nietoperzy samym sobie, bez ingerencji człowieka.

„Pomysł polegał na tym, aby wyciągnąć ludzi z pomieszczenia” – powiedział Yartsev i pozwolić nietoperzom robić to, co zwykle.

Zgodnie z oczekiwaniami, komórki miejsca danego nietoperza zmieniały swoją aktywność w zależności od lokalizacji nietoperza w jaskini. W niektórych miejscach komórki strzelały częściej, gdy nietoperz znajdował się w określonym miejscu, podczas gdy inne zwiększały swoją aktywność, gdy nietoperz znajdował się gdzie indziej.

Obecność lub brak innych nietoperzy również miała wpływ na odpalanie neuronów. Gdy nietoperz schodził na ląd, komórki miejsca zachowywały się inaczej w zależności od tego, czy w miejscu lądowania znajdował się współlokator. Co więcej, neurony najwyraźniej kodowały tożsamość konkretnych nietoperzy, odróżniając przyjaciół od znajomych. Jeśli nietoperz wylądował obok bliskiego kontaktu społecznego, neurony zachowywały się inaczej, niż gdyby nietoperz wylądował w pobliżu nietoperza, z którym nie spędzał zbyt wiele czasu.

Krótko mówiąc, system nawigacji nietoperzy najwyraźniej spełniał podwójną rolę jako mapa społeczna. Ssaki nie tylko poruszały się po domu, ale także używały dokładnie tych samych komórek mózgowych, aby śledzić, kto przebywa w pomieszczeniu.

„[Naukowcy] wyrzucili go z parku, jeśli chodzi o badanie neuronauki naturalnego zachowania” – powiedział neurobiolog behawioralny Andy Aleksander z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, który nie brał udziału w badaniu.

Odkrycie natychmiast wywołało pytania, czy to ponowne wykorzystanie komórek hipokampa ma zastosowanie poza egipskimi nietoperzami owocożernymi w ewolucji mózgu społecznego. Hipokamp to starożytna struktura mózgu: jest wysoce konserwatywna u ssaków o zróżnicowanym stylu życia i różnym stopniu uspołecznienia, od dziobaków przeważnie samotnych po ludzi bardzo towarzyskich. Możliwe, że system nawigacyjny hipokampa rejestruje środowisko społeczne w podobny sposób u różnych gatunków. Jednakże jest równie możliwe, że obwody tego miejsca rozwinęły tę podwójną funkcję tylko u egipskiego nietoperza owocożernego. Jedynie dodatkowe badania mogą wypełnić luki.

Wyniki wykraczają poza mapę społeczną. Pasują one również do koncepcji selektywności mieszanej, powiedział Alexander: koncepcji, zgodnie z którą bardziej wydajne obliczeniowo jest, gdy pojedyncze neurony kodują wiele cech środowiska.

W tym sensie, powiedział Forli, hipokamp może przypominać potężną kartę graficzną w komputerze, która może mieć wiele zastosowań, od renderowania grafiki do gier wideo po wykonywanie obliczeń w ramach uczenia maszynowego. Hipokamp może świetnie radzić sobie z określonymi rodzajami obliczeń i może mieć zdolność modyfikowania lub programowania w drodze ewolucji.

„Klasycznie myśleliśmy o hipokampie jako o komórkach [miejscowych], które kodują określone lokalizacje w przestrzeni” – powiedział Alexander. „Ale myślę, że coraz częściej odkrywamy, że hipokamp jest w rzeczywistości wysoce adaptacyjny i elastyczny oraz że hipokamp będzie kodował najróżniejsze rzeczy, w zależności od tego, co mu zaprezentujesz”.

Quanta przeprowadza serię ankiet, aby lepiej służyć naszym odbiorcom. Weź nasze ankieta czytelnicza biologii i zostaniesz wpisany, aby wygrać za darmo Quanta towar.