Повороты головы и крыльев помогли дрозофилам стабилизировать поле зрения во время полета
Инженеры выяснили, что во время полета плодовые мушки дрозофилы с помощью поворотов головы стабилизируют мелькание поля зрения и увеличивают точность подруливания крыльями для фокусировки зрительного стимула на сетчатке. В результате поворотов головы увеличивается диапазон колебаний стимула, которые зрительная система может эффективно обработать. Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Зрение — активный процесс: чтобы сфокусироваться на нужном предмете, приматы используют быстрые движения глаз, а у летающих насекомых само поле зрения нестабильно, и мелькания во время полета необходимо компенсировать движениями глаз или тела. У мух глаза неподвижны, поэтому для выравнивания поля зрения им необходимо поворачивать голову целиком или подруливать с помощью крыльев. В предыдущих исследованиях показали, что наклоны головы у дрозофил стабилизируют общую картинку (выравнивают поле зрения относительно земли или горизонта), а с помощью крыльев насекомые фокусируются на небольших движущихся предметах, однако как эти две системы взаимодействуют, до сих пор было неясно.
Бенджамин Челлини (Benjamin Cellini) и Жан-Мишель Монго (Jean-Michel Mongeau) из Университета штата Пенсильвания исследовали, как дрозофилы адаптируют движения головы и крыльев к подвижному фону. Для этого насекомое фиксировали в установке так, что крылья и голова могли свободно двигаться, а вокруг животного с амплитудой до 30 градусов ритмично двигалась влево-вправо панорама из вертикальных полосок. С помощью камеры исследователи регистрировали повороты головы и махи крыльев дрозофил.
Если бы мушке удавалось идеально фиксировать взор, движения головы совпадали бы с траекторией стимула, однако в реальности повороты головы отставали как по амплитуде, так и по фазе. Лучше всего фиксировать положение стимула на сетчатке удавалось, когда тот двигался с частотой от одного до четырех герц, а в целом за счет поворотов головы удавалось компенсировать до 60 процентов скорости движения точки.
Чтобы понять, как стабилизация взора с помощью поворотов головы влияет на движения крыльев, исследователи проверили, как изменятся эти движения, если голову зафиксировать. В таком случае система остается без обратной связи: насекомое не может влиять на положение движущегося стимула на сетчатке, а управление крыльями опирается на нескорректированный зрительный сигнал.
Ученые проследили за тем, как меняется направление полета в зависимости от положения фона — для этого в каждый момент времени вычисляли разницу между амплитудами взмахов двух крыльев и сопоставляли эту разницу с поворотами полосок на фоне. Действительно, согласованность движений крыльев и колебаний стимула снизилась, когда голова мухи была зафиксирована. Повороты головы не корректировали смещение фона, и движения крыльев хуже подстраивались под реальные колебания. Кроме того, когда голова была зафиксирована, взмахи крыльев дрозофил были реже и меньше по амплитуде, и общая мощность движений снизилась на 27 процентов.
То, что движения головы связаны с управлением крыльями, косвенно подтвердило еще и то, что повороты крыльев отставали по фазе от колебаний фона чуть больше, чем движения головы. Отставание кривой движений головы от синусоиды стимула составляло десять миллисекунд, а движений крыльев — 40 миллисекунд.
Наконец, исследователи смоделировали положение стимула на сетчатке мухи с помощью детектора элементарных движений (Elementary Motion Detector). Обычно в этой модели зрительные рецепторы считают неподвижными и в качестве вводных данных используют только траекторию стимула, но на этот раз учли повороты головы: синусоиду движений головы вычитали из синусоиды стимула и вводили в детектор скорректированную кривую.
С учетом движений головы диапазон частот стимула, на которых зрительная система эффективно его воспринимала, стал значительно шире, а оптимум сместился с частоты в один герц на четыре герца.
Исследователи выяснили, что движения головы не только повышают эффективность восприятия движущихся стимулов зрительной системой, но и влияют на двигательную активность во время полета. Закономерности, которые обнаружили в этой работе, помогут инженерам координировать работу движущихся датчиков, например, на роботах или дронах.
Чтобы исследовать поведение, восприятие и движения насекомых, для них иногда создают камеры виртуальной реальности. Они похожи на установку, которую использовали в этой работе, — животных фиксируют перед панорамным экраном, только изображение, которое на него проецируют, похоже на реальный мир с точки зрения насекомого. Кроме того, вокруг животного иногда помещают небольшие трубочки и потоком воздуха симулируют порывы ветра или даже запахи. Так, в недавнем эксперименте насекомые учли направление ветра и по запаху нашли в виртуальной реальности яблоню или цветок.
Алиса Бахарева
Изучать на них магниторецепцию не получится
Исследователи из Великобритании и Германии на протяжении шести лет воздействовали суммарно почти на сто тысяч дрозофил магнитным полем и выяснили, что они не меняют свое поведение под действием этого поля и в целом никак на него не реагируют. Это опровергло результаты предыдущих экспериментов, где чувствительность мух к магнитному полю была доказана, — прошлые результаты ученые посчитали ложноположительными. Работа опубликована в Nature. Некоторые животные обладают магниторецепцией — например, перелетные певчие птицы мигрируют в основном по ночам и ориентируются по магнитному полю земли. Точно не ясно, как работает их внутренний компас, но основная гипотеза такая: в сетчатке из глаз есть криптохромы — светочуствительные белки, которые реагируют на магнитное поле, а в мозге — нейроны, которые обрабатывают информацию, поступающую с магниторецепторов сетчатки. Такую же способность ученые обнаружили и у летучих мышей. По некоторым данным, магнитное поле чувствуют и плодовые мушки дрозофилы (Drosophila). Криптохромы из их сетчатки реагировали на магнитное поле в экспериментах in vitro, а в других исследованиях [1, 2, 3] под действием магнитного поля их поведение менялось. Поэтому мух иногда используют как модельный организм, чтобы изучать магниторецепцию: геном дрозофил можно редактировать, и эксперименты над ними ставить проще, чем над птицами. Марко Бассетто (Marco Bassetto) из Ольденбургского университета имени Карла фон Осецкого и его коллеги из Великобритании и Германии решили проверить, на самом ли деле дрозофилы чувствительны к магнитному полю. Они воспроизвели несколько экспериментов на гораздо большей выборке и в более контролируемых условиях. Сначала они запустили мух в Т-образный лабиринт, к одному из рукавов которого было приложено магнитное поле с индукцией около 500 микротесла. Установку разместили в электромагнитно-экранированной камере в деревянном здании — в итоге фоновые радиочастотные поля сильно ослаблялись и не должны были повлиять на эксперимент. Дрозофил тестировали группами по 100 особей; предполагалось, что наивные мухи будут избегать рукава с магнитным полем (как это было в ранних экспериментах), а если научить их ассоциировать поле с наградой в виде сахарозы, то они станут предпочитать этот рукав. Однако ничего из этого не подтвердилось: и наивные, и обученные дрозофилы выбирали оба рукава с одинаковой частотой. А вот в контрольных экспериментах мухам удалось связать награду и запах. Всего ученые провели почти 1000 тестов и протестировали таким образом 97650 мух. Затем они поместили дрозофил в вертикальные пластиковые трубки, помещенные между двойными катушками. К одной из трубок было приложено магнитное поле с индукцией 500 микротесла, а к другой — нет. В таких трубках мухи обычно поднимаются, сопротивляясь земному притяжению, — это называется отрицательным геотаксисом (личинки некоторых насекомых, напротив, стремятся вниз, к земле). В предыдущих исследованиях под действием тусклого синего цвета и магнитного поля мухи поднимались медленнее. Здесь же ученые не обнаружили никакой разницы в скорости подъема мух в зависимости от наличия магнитного поля. Однако, как и в раннем эксперименте, под действием красного цвета дрозофилы поднимались медленнее, чем под действием синего (магнитное поле все еще не влияло). Затем ученые усовершенствовали экспериментальную установку и проверили в ней магнитные поля 0,90, 220 и 300 микротесла. Однако и тогда магнитное поле не влияло на скорость подъема насекомых. В предыдущих исследованиях также сообщалось, что магниточувствительность мух проявляется под действием более коротких волн света. Авторы проверили и это, но и здесь дрозофилы никак не реагировали. Авторы заключили, что дрозофилы, судя по всему, не способны ощущать магнитные поля околоземной силы (ниже 500 микротесла). А статистический анализ показал, что результаты ранних экспериментов были, вероятнее всего, ложноположительными: на это указывают небольшие выборки и низкая статистическая мощность. Таким образом, изучать магниторецепцию лучше на ночных мигрирующих певчих птицах. А ранее исследователи из Канады и США выяснили, что нейроны птиц, реагирующие на магнитное поле, активны только во время миграции. Во время ночного отдыха их активность снижается.
