Moucha má jedinečný mozek

Individualita v chování much nezávisí na genetických vlastnostech. Rozdíly jsou způsobeny interhemisférickou asymetrií neuronových projekcí, jejichž spoje jsou během zrání buněk rozmístěny náhodně. Článek uveřejněný v časopise Věda.

Žádné dva organismy nejsou stejné, i když jsou geneticky identické, protože vývoj je vždy ovlivněn mnoha stochastickými faktory. Individuální variabilita se přirozeně vztahuje i na mozek, liší se jeho hmotnost, velikost, anatomické rysy a dokonce i morfologie jednotlivých neuronů. Individuální a vrozené chování však není jasné, co přesně stojí za touto variabilitou: schopnost neuronových sítí fungovat plasticky nebo náhodné rozdíly v jejich anatomii, které vznikají během vývoje organismu.

Je vhodné studovat rysy mozku jednotlivce na buněčné úrovni u bezobratlých, protože v nich je snadné pozorovat jednotlivé neurony. Jedním z oblíbených modelových objektů mezi biology jsou mouchy. Drosophila — je také vhodný pro studium korelací mezi anatomií nervového systému a chováním. Mozek tohoto hmyzu obsahuje pouze 100 tisíc neuronů a je dobře studován.

V oblasti mozku Drosophila, která je zodpovědná za zpracování vizuální informace, se nachází shluk nervových buněk (hřbetní shluk), jehož projekce se mezi jednotlivci a dokonce i mezi dvěma hemisférami téže mouchy výrazně liší. Axony těchto neuronů jdou do jedné ze dvou částí zrakového systému: medulla nebo lobula. Kam přesně bude každý jednotlivý neuron směřovat svou projekci, je určeno náhodnými událostmi v procesu jeho vývoje.

Tým vědců z Belgie, Německa a Francie pod vedením Gerita Linnewebera ze Sorbonnské univerzity zkoumal souvislost mezi jednotlivými vzorci spojení v mozku octomilky a chováním. K tomu jsme použili Buridanovo paradigma, které nám umožňuje určit reakci hmyzu na vizuální podněty. Mouchy byly umístěny na bílém, rovnoměrně osvětleném poli; na stěnách arény proti sobě byly dva svislé černé pruhy. Hmyz na tyto pruhy nedosáhl a pohyboval se mezi nimi. Za takových podmínek mouchy obvykle chodí tam a zpět od jednoho kontrastního objektu k druhému, ale některé ovocné mušky prozkoumají celou arénu rovnoměrně. Chování hmyzu v tomto paradigmatu je tedy velmi individuální. Aby to bylo možné kvantifikovat, autoři práce použili průměrnou odchylku trajektorie mušek od přímky mezi dvěma pruhy.

Aby vědci otestovali, zda chování ovocných mušek v tomto paradigmatu závisí na dědičnosti, porovnávali jedince z 10 různých linií, v rámci kterých je genom mouchy prakticky stejný. Vědci poté zkřížili pár ovocných mušek, které se pohybovaly po nejširší trajektorii, s hmyzem, který se nejméně odchýlil od středové linie, a porovnali reakce jejich potomků. Vědci také testovali, zda se chování ovocných mušek v průběhu času změnilo tím, že je testovali každý den po dobu čtyř týdnů.

Individuální charakteristiky chování much nezávisely na genetické linii a nebyly zděděny, ale byly stabilní během měsíce pozorování.

U 103 much jsme zkoumali neurony v dorzálním shluku a určili, kam jdou axony každého z nich. Celkem bylo v této oblasti napočítáno od 22 do 68 neuronů a 11-55 z nich poslalo své axony do lobuly a 6-23 do dřeně. Navíc u každého hmyzu existuje interhemisférická asymetrie v projekcích těchto buněk.

Když byl hřbetní cluster inaktivován, odchylka trajektorie Drosophila od linie, která spojovala vertikální pruhy, se zvětšila. Pokud tato oblast mozku fungovala normálně, vědci pozorovali korelaci mezi chováním hmyzu a interhemisférickou asymetrií: jedinci, u kterých se počet neuronů, jejichž axony jdou do dřeně, blížil ke dvěma polovinám mozku, se pohyboval po celém pole. A ovocné mušky s asymetrickými projekcemi se od středové linie odchylovaly mnohem méně. Když byl dorzální shluk inhibován, chování hmyzu nezáviselo na stupni interhemisférické asymetrie.

Funkční spojení neuronů jsou základem mozkových funkcí, takže jejich studium je nezbytné pro pochopení souvislosti mezi morfologií a chováním. V roce 2016 vědci z Japonska vymodelovali kompletní konektom (mapu spojení) Drosophila a o rok později pomohlo strojové učení vytvořit funkční atlas mozku tohoto hmyzu.

Опрос

Top 10 novinek

Budoucnost, předpovědi Moucha má jedinečný mozek

9. srpna 2009 | Autor: Oleg | zhlédnutí: 29736

Mozek mouchy je sotva větší než otvor v šicí jehle. Ale moucha, která má takový mozek, zvládne zpracovat více než sto statických snímků (snímků) za sekundu. Jak víte, lidský limit je přibližně 25 snímků za sekundu. A moucha našla jednodušší a efektivnější způsob zpracování obrázků. A to nemohlo zajímat výzkumníky v oblasti robotiky.

Bylo zjištěno, že mouchy zpracovávají 100 snímků za sekundu. A to jim umožňuje detekovat překážku během letu během několika milisekund (milisekunda je jedna tisícina sekundy). Zejména výzkumníci zaměřili svou pozornost na optické toky, které nazvali „toky optického pole“. Zdá se, že toto optické pole zpracovává pouze první vrstva neuronů. Zpracovávají „hrubý“ zdrojový signál z každého létajícího „pixelu“. A předávají zpracované informace další vrstvě neuronů. A podle vědců existuje pouze 60 těchto sekundárních neuronů v každé hemisféře mozku mouchy. Mozek mouchy však dokáže zmenšit nebo rozdělit zorné pole do mnoha po sobě jdoucích „vektorů pohybu“, které dávají mouše vektor směru pohybu a „okamžitou“ rychlost. A co je zajímavé, moucha to všechno vidí!

My, lidé (a ne všichni), víme, co je vektor a okamžitá rychlost. A moucha o těchto věcech přirozeně nemá ani ponětí. A takové schopnosti mozku mouchy zpracovat obrovské množství informací lze jen závidět. Proč vidíme jen asi 50 snímků za sekundu a letíme 100? Těžko říct, ale v této věci existují rozumné odhady. Jak moucha létá? Téměř „okamžitě“, s obrovským zrychlením. Takové přetížení jsme jen stěží vydrželi. Ale je možné vytvořit robotický mozek, který je ve zpracování informačních toků rychlý jako mozek mouchy.

Aby se pokusili porozumět tomu, jak může malý mouchí mozek zpracovat tak obrovské množství informací, vytvořili vědci v Mnichově „letecký simulátor“ pro mouchu. Moucha mohla létat, ale byla držena na vodítku. Elektrody zaznamenávaly odezvu mozkových buněk mouchy. A výzkumníci se snažili pochopit, co se děje v mozku mouchy během letu.

První výsledky jsou zřejmé. Mouchy zpracovávají obrazy ze svých upřených očí velmi odlišně než lidé. Když se moucha pohybuje v prostoru, v jejím mozku se tvoří „pole optického toku“, která dávají mouše směr pohybu.

Jak by to viděl člověk? Například při pohybu vpřed by se okolní předměty okamžitě rozptýlily do stran. A objekty v zorném poli by se zdály větší, než ve skutečnosti jsou. A zdálo by se, že blízké a vzdálené objekty se pohybují jinak.

Rychlost a směr, s jakým se objekty míhají před očima mouchy, generují typické vzory pohybových vektorů – toků pole. Které ve druhé fázi zpracování obrazu dosáhnou tzv. „lobula plate“ – zorného centra vyšší úrovně. V každé hemisféře mozku mouchy je pouze 60 nervových buněk odpovědných za vidění. Každá z těchto nervových buněk reaguje pouze na signál s určitou intenzitou.

Ale pro analýzu optických toků jsou důležité informace přicházející z obou očí současně. Toto spojení zajišťují speciální neurony zvané „VS buňky“. Umožňují mouše přesně posoudit její polohu v prostoru a rychlost letu. Zdá se, že „buňky VS“ jsou zodpovědné za snímání a reakci na krouticí moment aplikovaný na mouchu během jejích letových manévrů.

Robotičtí výzkumníci pracují na vývoji robotů, kteří dokážou pozorovat své prostředí pomocí digitálních fotoaparátů, učit se, co vidí, a vhodně reagovat na změny aktuální situace. A efektivně a bezpečně komunikovat a komunikovat s lidmi.

Vývoj již probíhá například na malém létajícím robotovi, jehož poloha a rychlost bude řízena pomocí počítačového systému napodobujícího vizi mouchy.