Fladdermöss använder samma hjärnceller för att kartlägga fysiska och sociala världar | Quanta Magazine

En fruktfladdermus som hänger i hörnet av en grotta rör sig; den är redo att flytta. Den avsöker utrymmet för att leta efter en ledig abborre och flyger sedan och justerar sina membranösa vingar för att vinkla en inflygning till en plats bredvid en av sina luddiga killar. När den gör det sänds neurologiska data som lyfts från dess hjärna till sensorer installerade i grottans väggar.

Det här är ingen ljummen grotta längs Medelhavet. Gruppen av egyptiska fruktfladdermöss befinner sig i Berkeley, Kalifornien, och navigerar i en konstgjord grotta i ett laboratorium som forskare har inrättat för att studera djurens inre funktioner.

Forskarna hade en idé: att när en fladdermus navigerar i sin fysiska miljö, navigerar den också i ett nätverk av sociala relationer. De ville veta om fladdermössen använder samma eller olika delar av sin hjärna för att kartlägga dessa korsande verkligheter.

I en ny studie publicerad i Natur i augusti avslöjade forskarna att dessa kartor överlappar varandra. Hjärncellerna som informerar en fladdermus om sin egen plats kodar också för detaljer om andra fladdermöss i närheten - inte bara deras plats, utan också deras identiteter. Fynden ger upphov till den spännande möjligheten att evolutionen kan programmera dessa neuroner för flera ändamål för att tillgodose behoven hos olika arter.

Neuronerna i fråga finns i hippocampus, en struktur djupt inne i däggdjurshjärnan som är involverad i skapandet av långtidsminnen. En speciell population av hippocampala neuroner, känd som platsceller, tros skapa ett internt navigationssystem. Först identifierades i råtthipocampus 1971 av neuroforskaren John O'Keefe, placera celler eld när ett djur är på en viss plats; olika platsceller kodar olika platser. Detta system hjälper djur att avgöra var de är, vart de behöver gå och hur de ska ta sig härifrån till dit. 2014, O'Keefe belönades med Nobelpriset för hans upptäckt av platsceller, och under de senaste decennierna har de identifierats i flera primatarter, inklusive människor.

Att flytta från plats till plats är dock inte det enda sättet ett djur kan uppleva en förändring i sin omgivning. I ditt hem förblir väggarna och möblerna för det mesta desamma från dag till dag, sa Michael Yartsev, som studerar den neurala grunden för naturligt beteende vid University of California, Berkeley och medledde det nya arbetet. Men det sociala sammanhanget i ditt boende kan förändras ganska regelbundet.

"Om folk kommer in, rör de sig, de interagerar", sa Yartsev. Var dessa människor befinner sig och arten av din relation med varje individ påverkar hur du kommer att röra dig genom utrymmet. "Den rumsliga miljön är väldigt dynamisk, men inte för att väggarna rör sig", sa han.

Yartsev trodde att eftersom den sociala miljön är ett ständigt föränderligt inslag i den fysiska miljön, kan information om den kodas i platsceller. Men inget direkt test hade någonsin utförts i en mycket social miljö, som i en fruktfladdermuskoloni.

"Denna speciella aspekt [av miljön], som är så inneboende i alla våra liv, hade aldrig studerats tidigare," sa Yartsev.

För att få insikt i hur hjärnan kan navigera i den sociala miljön, Yartsev och hans postdoktor Angelo Forli tittade på egyptiska fruktfladdermöss, som de tidigare använt i studier av hjärnans navigationsledningar.

I Yartsevs labb byggde de en konstgjord grotta: ett flygrum i vardagsrumsstorlek utformat för att mäta fladdermössens hjärnaktivitet samtidigt som de spårar deras beteende. Fem till sju fladdermöss åt gången var fria att flyga omkring i rummet, som var kantat med ljuddämpande skum och försett med sittpinnar och frukt att äta. För att följa fladdermössens exakta 3D-rörelser utrustade forskarna halsband med accelerometrar och mobila taggar – modifierade från system som används för att spåra paket inom lager – som kommunicerade med sensorer installerade i rummets väggar. Teamet implanterade också små elektroder i fladdermössens hjärnor för att trådlöst registrera hippocampusneuroner som skjuter när djuren flög runt deras inhägnad och interagerade med varandra.

Forskarna lade all denna omfattande ansträngning på sin experimentella uppställning så att de kunde undersöka fladdermössens spontana sociala interaktioner, som förmodligen skulle vara som de som upplevs i det vilda. Det innebar till stor del att lämna fladdermössen åt sina egna enheter utan mänsklig inblandning.

"Tanken var bara att ta människor ut ur rummet," sa Yartsev och låta fladdermöss göra vad fladdermöss normalt gör.

Som väntat ändrade platscellerna för en given fladdermus sin aktivitet baserat på fladdermusens plats i grottan. Vissa platsceller sköt oftare när fladdermusen var på en viss plats, medan andra ökade sin avfyring när fladdermusen var någon annanstans.

Närvaron eller frånvaron av andra fladdermöss påverkade också neuronernas avfyring. När en fladdermus gick in för en landning, betedde sig platscellerna olika beroende på om det fanns en rastkompis på landningsplatsen. Dessutom verkade nervcellerna koda identiteten för specifika fladdermöss, vilket skilde vänner från bekanta. Om en fladdermus landade bredvid en nära social kontakt, betedde sig neuronerna annorlunda än om den landade nära en fladdermus som den inte spenderade mycket tid med.

Kort sagt, fladdermössens navigationssystem verkade fungera dubbelt som en social karta. Däggdjuren flyttade inte bara runt i sitt hem – de använde också exakt samma hjärnceller för att spåra vem som befann sig i lokalerna.

"[Forskarna] slår ut det ur parken med avseende på att studera neurovetenskapen om ett naturligt beteende," sa beteendeneuroforskaren Andy Alexander från University of California, Santa Barbara, som inte var involverad i studien.

Upptäckten väckte omedelbart frågor om huruvida denna återanvändning av hippocampus platsceller gäller bortom egyptiska fruktfladdermöss i utvecklingen av den sociala hjärnan. Hippocampus är en gammal hjärnstruktur: Den är mycket bevarad bland däggdjur med olika livsstilar och grader av socialitet, från i stort sett ensamma näbbdjur till mycket kommunala människor. Det är möjligt att hippocampus navigationssystem loggar den sociala miljön på liknande sätt över arter. Det är dock lika möjligt att platskretsen utvecklat detta dubbla syfte bara i den egyptiska fruktfladdermusen. Endast ytterligare forskning kan fylla luckorna.

Fynden går utöver den sociala kartan. De passar också med begreppet blandad selektivitet, sa Alexander: idén att det är mer beräkningseffektivt för enstaka neuroner att koda flera funktioner i miljön.

I den meningen, sa Forli, kan hippocampus vara som ett kraftfullt grafikkort i en dator, som kan ha många användningsområden, från att rendera grafik för videospel till att utföra beräkningar av maskininlärning. Hippocampus kan vara bra på vissa typer av beräkningar och kan ha förmågan att modifieras eller programmeras av evolution.

"Vi har klassiskt tänkt på hippocampus som att ha dessa [plats] celler som kodar särskilda platser i rymden," sade Alexander. "Men jag tror att vi mer och mer upptäcker att det faktiskt är mycket adaptivt och flexibelt, och att hippocampus kommer att koda för alla möjliga saker beroende på vad du presenterar för den."

Quanta genomför en serie undersökningar för att bättre betjäna vår publik. Ta vår biologi läsarundersökning och du kommer att delta för att vinna gratis Quanta handelsvaror.