Что общего между приготовлением чашки чая и надеванием обуви? Оба действия состоят из нескольких движений подряд. Подобно языку, который состоит из слогов, сгруппированных в слова, наши поступки состоят из нескольких последовательных движений. Чтобы понять, как мозг управляет определенной моделью поведения, нужно знать необходимые «слоги» — своеобразные строительные блоки поведения. Преследуя цель их разгадать, ученые из Института нейробиологии Общества Макса Планка с помощью искусственного интеллекта «разбили» поведение личинок рыбок данио-рерио во время охоты на основные движения и объяснили, как они образуют единую последовательность действий. Об этом – статья в журнале Current Biology.
Модели движения хвоста, обнаруженные компьютерным алгоритмом
Хотя размер личинок рыбок данио-рерио меньше половины миллиметра, они уже способны выполнять все поведенческие реакции, необходимые для выживания. Ловля добычи – это такая же врожденная поведенческая реакция, отточенная опытом. Но как нейронные цепи управляют отдельными компонентами этого поведения и обеспечивают успешную поимку добычи?
Ученые разработали специальную технологию для изучения деталей поведения рыб: высокоскоростные камеры регистрировали движения глаз, хвоста и челюсти рыбы, в то время как животные свободно плавали в маленькой миске. Затем специально разработанный компьютерный алгоритм машинного обучения оценивал записанные изображения и интерпретировал их. Результаты тысяч движений рыб выявили, что поведение личинок во время охоты весьма стереотипно и состоит из трех компонентов: ориентации, подхода и поимки.
Исследование установило, что личинке для охоты необходимы оба глаза. Личинка данио-рерио с одним поврежденным глазом оказалась не в состоянии правильно установить позицию добычи, что неизбежно сказывалось на длительности и качестве охоты. Также нейробиологи получили информацию о постоянной обработке стимулов: ученые заменили добычу виртуальной точкой и всякий раз, когда она исчезала, личинка прерывала свою охоту.
«Этот факт показывает нам, что личинке нужно постоянно видеть свою добычу, чтобы иметь возможность выполнить всю последовательность движений», – говорит автор исследования Дункан Мирнс (Duncan S. Mearns).
В зависимости от предполагаемого расстояния рыба выбирает между быстрым спринтом и глотательным движением или сильным сосательным движением.
Движения хвоста рыбы подвержены непрерывным изменениям в зависимости от положения добычи. Тем не менее, компьютерный алгоритм смог распознать стереотипные модели движения хвоста, которые используются во время захвата добычи. Эти шаблонные движения всегда следовали друг за другом в одной и той же установленной последовательности.
Любопытно, что, наблюдая за активностью нейронов личинок, теперь возможно определить и расстояние, на котором находится добыча. Прозрачные личинки рыб и доступные генетические и оптогенетические методы позволяют ученым специально искать нейрональные цепи, лежащие в основе описанных поведенческих компонентов. Это позволит изучать различные паттерны поведения еще более прицельно.
Текст: Анастасия Тихомирова
Deconstructing hunting behavior reveals a tightly coupled stimulus-response loop by Duncan S. Mearns, Joseph C. Donovan, António M. Fernandes, Julia L. Semmelhack & Herwig Baier in Current Biology. Published online December 2019.
https://doi.org/10.1101/656959
