Биологи сбили рыб с толку в виртуальной реальности
Ученые создали новую экспериментальную модель с данио-рерио. Она позволяет регистрировать поведение и активность отдельных нейронов рыб, которые находятся в виртуальной реальности. Несмотря на то, что голова животных была зафиксирована, а вместо естественной среды они плавали в симуляции, данио-рерио вели себя так же, как и в обычном аквариуме. В мозге рыб исследователи обнаружили группу нейронов, которые активировались при несовпадении зрительных стимулов с движениями животных. Статья опубликована в журнале Nature Methods.
Виртуальная реальность — удобный инструмент для изучения поведения и процессов, происходящих в мозге. С одной стороны, исследования проходят в обстановке, похожей на естественную, а с другой — можно регулировать параметры среды и создавать сценарии происходящего. Кроме того, при использовании искусственной реальности животное можно ограничить в движении, а в таких условиях мозг гораздо проще изучать оптическими и электрофизиологическими методами.
Высшие функции мозга основаны на активности различных популяций нервных клеток, которую можно визуализировать с помощью современных оптических методов. Однако у животных с крупным мозгом доступна только его поверхность, и увидеть нейроны, которые располагаются в глубине, невозможно. Поэтому удобным модельным организмом является данио-рерио — маленькие рыбы (2,5-4 сантиметра в длину). Они прозрачны даже на взрослых стадиях развития, поэтому активность их нервных клеток можно исследовать с помощью оптических методов in vivo.
Группа ученых под руководством Хуан Ко-Хуо (Kuo-Hua Huang) из Института биомедицинских исследований имени Фридриха Мишера создала модель исследования поведения и нейронной активности данио-рерио в виртуальной реальности. Экспериментальная камера представляла собой аквариум с панорамным экраном, на которой проецировалось 3D изображение. Рыбы видели круглую арену, к которой примыкало два прямоугольных отсека. Виртуальные стены были покрыты камнями и растениями; поле обзора составляло 180 градусов. Чтобы обездвижить голову рыб, к их черепу с двух сторон приклеили крепления, с помощью которых животное можно было фиксировать в установке. Хвост не был закреплен, и его колебания регистрировались видеокамерой.
Для полной реалистичности виртуальной реальности проецируемая картинка координировалась с движениями рыбы в реальном времени с частотой 50 Герц. Если хвост качался симметрично, то видео имитировало движение вперед: слегка смещалось влево и вправо синхронно с движениями рыбы. Если же животное пыталось повернуть, то и виртуальная реальность изменялась соответствующим образом. Передвижения данио-рерио в искусственной среде были ограничены невидимыми стенками, которые не давали рыбе выплыть за пределы центральной зоны.
Ученые тестировали реакцию рыб на различные стимулы: в одном из отсеков виртуальной камеры появлялась стайка из трех данио-рерио или три вертикальных черных эллипса такого же размера (для сравнения отклика на сородичей и на абстрактные формы). Второй отсек оставался пустым.
Исследователи также проверили гипотезу о связи нейронной активности с прогностическими способностями животных. Предполагается, что мозг создает модели окружающего мира, согласно которым он прогнозирует некоторые закономерности или события. Если действительность не соответствует предположениям, в мозг поступают сенсорные стимулы, которые говорят об ошибке, и модель корректируется. Для того, чтобы детектировать нейронную активность, связанную с сигналом ошибки, исследователи инвертировали видео в момент его согласования с поворотами рыб. Например, когда данио-рерио пыталась повернуть направо, виртуальная среда изменялась так, как будто животное уклонилось влево.
Регистрировали не только поведение рыб, но и активность отдельных нейронов их мозга. Для этого в клетках трансгенных данио-рерио присутствовали флуоресцентные белки, которые изменяли параметры своего свечения при взаимодействии с кальцием. Появление ионов этого металла сопровождает активацию нейронов, что исследователи и наблюдали с помощью двухфотонного лазерного микроскопа.
В виртуальной среде данио-рерио плавали по арене кругами, как и не ограниченные в движении рыбы в естественных условиях. Если в одном из отсеков появлялось изображение других рыб, животные переставали плавать по кругу и перемещались как можно ближе к сородичам. На черные эллипсы данио-рерио реагировали небольшим смещением своей траектории в сторону отсека, однако не переставали двигаться кругами. В новой модели рыбы демонстрировали характерное исследовательское поведение, которое не нарушилось ни фиксацией головы, ни виртуальной реальностью.
Когда экспериментаторы инвертировали поворот среды относительно движения рыб, данио-рерио реагировали определенным набором колебаний хвоста: сначала пытались повернуться вокруг своей оси, а затем начинали активно извивать тело. Между началом неправильного смещения видео и ответом животных проходило от одной до четырех секунд, в течение которого рыбы двигались как обычно.
В ответ на десинхронизацию видео увеличивалась активность в 12 процентах регистрируемых нейронов конечного мозга. В значительной доле этих клеток возбуждение возникало до начала двигательной реакции на инвертированный поворот зрительных ориентиров. Нейронный ответ не был связан с изменением моторной деятельности рыб, и авторы работы предположили, что наблюдаемая активность — это и есть сигнал ошибки, а задержка реакции вызвана тем, что мозг обрабатывает информацию о несоответствии реальности прогнозу.
Модель, которую разработали и протестировали в этой работе, можно использовать для исследования широкого круга вопросов, связанных с поведением, в том числе его сложными формами, а также развитием и функционированием нейронных сетей.
Данио-рерио — излюбленное животное биологов для изучения поведения. Для наблюдения за реакцией страха их пугали рыбами-роботами (и не раз), давали им пообщаться с искусственными сородичами, а еще вызывали у них наркотическую зависимость.
Алиса Бахарева
Самка держалась на поверхности около всплывшего тела детеныша
Зоологи впервые описали, как самка клюворыла взаимодействует с мертвым детенышем. Самка, которую они встретили в Бискайском заливе, плавала кругами вокруг всплывшего на поверхность тела отпрыска, касалась его головой, а также подталкивала и приподнимала. Другие китообразные, столкнувшиеся со смертью сородичей, ведут себя похожим образом. Возможно, самка просто оценивала состояние детеныша или пыталась привести его в чувства — однако не исключено, что она осознавала его смерть и испытывала настоящее горе. Результаты исследования опубликованы в статье для журнала Marine Mammal Science. Самки приматов, китообразных и некоторых других млекопитающих порой подолгу не могут расстаться с телами умерших детенышей. Они носят их с собой, дотрагиваются до них и защищают от падальщиков. Почему это происходит, пока остается неясным. Вероятнее всего, что матери просто не сразу понимают, что их детеныш мертв, или какое-то время не уверены в этом. Однако не исключено, что в некоторых случаях самки осознают смерть своего ребенка, но не способны оставить его тело из-за сильной эмоциональной привязанности и чувства горя. Команда зоологов под руководством Видаля Мартина (Vidal Martín) из Общества по изучению китообразных Канарского архипелага описала новый пример материнской привязанности к мертвому детенышу. В начале августа 2019 года исследователи, которые в тот день вели экскурсию на туристическом судне, встретили в Бискайском заливе в 21 километре от побережья Испании двух клюворылов (Ziphius cavirostris) — крупных китообразных из семейства клюворыловых (Ziphiidae), известных благодаря способности погружаться на глубину до трех километров и оставаться под водой более трех с половиной часов. Животные находились примерно в 500 метрах от судна. Мартин с коллегами сфотографировали клюворылов с судна и сняли их на видео с дрона. В результате выяснилось, что перед ними была взрослая самка, которая держалась около тела мертвого детеныша, плавающего на поверхности моря, вероятно, ее отпрыска. Она выглядела сильно истощенной: в частности, у нее просматривались ребра и позвонки. Длину самки исследователи оценили в пять с небольшим метров, а детеныша — в два с половиной метра, что соответствует минимальным значениям для самок клюворылов и новорожденных детенышей данного вида. Мертвый детеныш, судя по форме его гениталий, оказался самцом. По оценке авторов, он умер менее чем за 48 часов до момента наблюдения, возможно, потому что родился нездоровым из-за плохого состояния матери. Снятое с дрона видео позволило исследователям в подробностях описать поведение самки. На полученных кадрах видно, как предполагаемая мать плавает вокруг мертвого детеныша кругами, подныривает под него, отплывает на несколько метров, возвращается и касается его головы своей. Один раз самка погрузилась на несколько метров, затем подплыла к детенышу, после чего сдвинула его тело головой. При этом она интенсивно выпускала фонтан из дыхала. В другом случае самка поднырнула под детеныша и головой приподняла его тело над поверхностью воды. Действия самки, которую встретили Мартин и его соавторы, типичны для китообразных, взаимодействующих с телами мертвых сородичей, в том числе детенышей. Однако для клюворылов (и всего семейства клюворыловых) такое поведение описано впервые. О том, как клюворылы приносят потомство и ухаживают за ним, в целом почти ничего неизвестно, ведь представители данного вида живут в открытом океане, охотятся на больших глубинах и редко появляются на поверхности воды. Однако предполагается, что матери-клюворылы заботятся о детенышах на протяжении нескольких лет и формируют сильную эмоциональную привязанность к ним. Это может объяснять, почему самка, встреченная исследователями, не хотела покидать мертвого сына. Что именно двигало самкой, сказать невозможно. Возможно, она не понимала, что ее детеныш умер, и пыталась оценить его состояние или заставить дышать. Однако не исключено, что мать осознавала смерть сына, испытывала горе и оплакивала его. Как бы то ни было, нежелание самки расстаться с умершим детенышем могло обойтись ей дороже, чем представителям других видов китообразных. Чтобы оставаться рядом со всплывшим телом отпрыска, ей приходилось держаться на поверхности, где клюворылы не могут охотиться и уязвимы перед хищниками, такими как акулы и косатки (Orcinus orca). Ранее мы рассказывали о самке дрила (Mandrillus leucophaeus) из чешского сафари-парка, которая два дня носила за собой труп мертвого детеныша и ухаживала за ним — а затем съела. Вероятно, какое-то время мать пыталась добиться от младенца реакции, однако затем предпочла съесть его, чтобы восполнить энергию, затраченную во время беременности.