Новое исследование, проведенное Массачусетским технологическим институтом и Гарвардским университетом, предполагает, что мозг, казалось бы, простых рыбок Данио, более сложен, чем считалось ранее. Исследователи обнаружили, что личинки рыбок Данио могут использовать визуальную информацию для создания трехмерных карт своего физического окружения - подвиг, который ученые считали невозможным.

В новом исследовании исследователи обнаружили, что рыбки Данио могут обходить экологические барьеры, спасаясь от хищников. Полученные результаты свидетельствуют о том, что рыбки Данио "намного умнее, чем мы думали", и могут быть использованы в качестве модели для изучения многих аспектов зрительного восприятия человека, говорят исследователи.

"Эти результаты показывают, что вы можете изучить одну из самых фундаментальных вычислительных проблем, с которыми сталкиваются животные, а именно восприятие 3D-модели окружающей среды, у личинок рыбок Данио", - говорит Викаш Мансингка, главный научный сотрудник отдела мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института и автор нового исследования.

Эндрю Болтон, научный сотрудник Массачусетского технологического института и научный сотрудник Гарвардского университета, является старшим автором нового исследования, которое появилось сегодня в журнале Current Biology. Ханна Цвака, постдок Гарварда, и Оливия Макгиннис, недавняя выпускница Гарварда, которая сейчас является аспиранткой Оксфордского университета, являются ведущими авторами статьи.

С 1970-х годов рыбки данио использовались для изучения различных заболеваний человека, включая рак, сердечно-сосудистые заболевания и диабет. Одним из первых пионеров исследований рыбок Данио была Нэнси Хопкинс, в настоящее время почетный профессор биологии Массачусетского технологического института, которая обнаружила многие гены, участвующие в эмбриональном развитии рыбок Данио.

Совсем недавно ученые начали изучать возможность использования рыбок Данио в качестве модели поведения, включающего сенсорное восприятие. Три года назад Болтон провел исследование, показавшее, что рыбы данио могут точно предсказывать траектории своей добычи, основываясь на положении и скорости добычи.

Во время этого исследования Болтон случайно уронил одну из мисок с личинками рыбок Данио и заметил, что рыба сразу же разлетелась во все стороны. Это заставило его задуматься, был ли их выбор пути отступления абсолютно случайным, и повлияло бы на это, если бы на пути были препятствия?

Способность обнаруживать препятствия требует интеграции нескольких типов сенсорной информации и способности использовать эту информацию для вычисления положения препятствия относительно собственного положения в пространстве. Люди и многие другие животные могут это делать, но никто не думал, что более простые организмы, такие как рыбки Данио, способны на это.

Вместо этого многие нейробиологи полагали, что визуальное восприятие рыбок Данио схоже с восприятием таких организмов, как простой червь C. elegans. У этих червей свет, обнаруживаемый светочувствительными клетками, может вызвать рефлекторные реакции, такие как движение навстречу свету или от него.

Чтобы исследовать вопрос о том, могут ли рыбки Данио создавать мысленные представления о своей 3D-среде, Болтон создал экспериментальную установку, в которой рыбам нужно было бы попытаться избежать препятствия, блокирующего один из их возможных путей к отступлению. Эксперименты проводились в лаборатории Флориана Энгерта, гарвардского профессора молекулярной и клеточной биологии, который также является автором исследования.

Каждую рыбу помещали в круглое блюдо диаметром около 12 сантиметров, где они могли свободно плавать. Когда металлический стержень опускали на блюдо, производя громкий хлопок, рыба немедленно убегала. Исследователи сначала показали, что если бы не было никаких барьеров, рыба случайным образом выбирала бы либо левую, либо правую сторону в качестве пути отступления.

Затем исследователи установили 12-миллиметровый пластиковый барьер, блокирующий один из путей эвакуации. Когда барьер был установлен, исследователи обнаружили, что рыба почти всегда выбирала бежать в направлении, где барьера не было, до тех пор, пока было достаточно света, чтобы они могли его увидеть. Кроме того, рыбы с большей вероятностью пытались избежать барьеров, когда они были ближе, что позволяет предположить, что они также способны рассчитать расстояние до барьеров.

Быстрое время реакции рыбок данио — около 10 миллисекунд — предполагает, что животные должны "предварительно вычислить" карту расположения барьера, прежде чем они услышат звук. Передача визуальной информации от сетчатки к мозгу у рыбок Данио занимает около 60 миллисекунд, что исключает возможность того, что рыбы проверяют наличие препятствий, услышав громкий хлопок.

"Они не могут выполнять картографирование в режиме реального времени, потому что выход происходит слишком быстро по сравнению с отводом", - говорит Болтон. "Им нужно предварительно нанести на карту окружающую среду, на всякий случай, если появится хищник или что-то, имитирующее хищника".

Моделирование мозга

Такого рода поведение перед нанесением на карту наблюдалось у грызунов и других млекопитающих, но не у более простых позвоночных. Результаты исследования рыбок Данио открывают новый способ изучения вопросов о том, как мозг создает модели окружающего мира, говорит Миша Аренс, старший руководитель группы в исследовательском кампусе Медицинского института Говарда Хьюза Janelia.

"Эта работа прекрасно показывает, как маленькое и обманчиво простое на вид животное обладает замечательными поведенческими и вычислительными возможностями. Они не просто машины ввода-вывода; вместо этого они обладают моделью окружающего мира, которая невидима для нас, пока мы тщательно не исследуем эти внутренние модели с помощью тщательно разработанного триггера", - говорит Аренс, который не принимал участия в исследовании.

Поскольку мозг рыбок Данио меньше и проще, чем мозг млекопитающих, его легче визуализировать и манипулировать им, вплоть до уровня отдельных нейронов. Предыдущие исследователи идентифицировали единственную пару нейронов, известных как нейроны Маутнера, которые, по-видимому, опосредуют реакцию рыбок Данио на звук. Эксперименты с нейронными цепями этого исследования показали, что визуальный ввод барьера возбуждает нейрон Маутнера, который индуцирует побег от барьера.

Теперь исследователи планируют изучить, какая часть мозга рыбок Данио кодирует представления о восприятии глубины. У нейробиологов уже есть хорошее представление о том, как и где мозг млекопитающих отображает двумерные места (в верхнем колликулусе, который аналогичен области мозга рыбок Данио, называемой оптическим тектумом), но как добавляется третье измерение глубины, не совсем понятно.

"Если, например, мы найдем 3D-изображение в оптическом тектуме личинок рыбок Данио, это будет руководством к тому, где оно может находиться в верхнем колликулусе или зрительных путях млекопитающих, включая людей", - говорит Мансингка, который возглавляет проект вероятностных вычислений в Массачусетском технологическом институте компьютерных наук и искусственного интеллекта. Лаборатория.

Мансингка также надеется, что новые результаты помогут убедить некоторых когнитивных и системных нейробиологов, которые считают рыбок Данио слишком простыми, чтобы быть полезными для их целей, рассматривать их как модель, потенциально объединяющую множество различных подходов, которые ученые сейчас используют для изучения мозга.

"Исторически сложилось так, что было много расхождений между людьми, которые изучают клетки, людьми, которые изучают схемы мозга, людьми, которые занимаются визуализацией, людьми, которые изучают поведение, людьми, которые изучают познание, и людьми, которые изучают вычисления", - говорит он. "Трудно проводить интегративные исследования, которые затрагивают все эти уровни одновременно, но здесь мы, возможно, показали, что существует организм, который можно использовать для изучения перцептивных вычислений на многих разных уровнях и подключения его к основным нейронам".