Эмоции мышей определили по выражению морды
Ученые из Германии выяснили, что выражение морды мышей отражает их эмоциональное состояние. Для этого у животных вызывали эмоции сильными раздражителями и регистрировали изменение мимики на видео. Программная обработка видео позволила выделить шесть выражений морды, которые соответствовали таким базовым эмоциям как удовольствие, отвращение или страх. Стимуляция областей мозга, которые связаны с эмоциональными реакциями, вызывала изменение мускулатуры морды, соответствующее одной из эмоций. Статья опубликована в журнале Science.
Эмоции — это поведенческий, гормональный и вегетативный ответ организма на информацию из внешней среды, сигналы собственного тела и когнитивные процессы. Эмоции несут приспособительную функцию, однако до сих пор нам не до конца ясен механизм формирования эмоций в мозге. Причинно-следственные связи функционирования нейронов и поведенческих реакций удобно изучать на животных — для них доступно больше инвазивных методов, результаты которых более точны и детальны.
Но что такое эмоции животных, похожи ли они на человеческие и как их отличить? На эти вопросы у науки нет однозначного ответа. У людей и приматов универсальным индикатором эмоций является мимика. Возможно, и у других животных, например, у грызунов, движения мышц морды отражают эмоциональные реакции, но невооруженным глазом уловить выражение морды не так-то просто.
Немецкие ученые во главе с Нейцом Доленсеком (Nejc Dolensek) из Института нейробиологии Общества Макса Планка наблюдали за движениями мускулатуры лицевой части морды в ответ на ряд стимулов. Животных били током по хвосту, давали им попробовать сладкий сахар или горький хинин, делали инъекции хлорида лития, который вызывает недомогание, а также провоцировали активное и пассивное избегание. Авторы предполагали, что каждый из раздражителей будет вызывать определенный эмоциональный ответ.
При каждом стимуле выражение морды мышей заметно изменялось, это можно было увидеть и невооруженным глазом, однако надежно отличить состояния лицевых мышц не удавалось. Для того, чтобы количественно оценить реакции животных, авторы работы записывали их на камеру, зафиксировав голову мыши. Изображения затем переводили в дескрипторы гистограмм направленных градиентов — каждое видео оказывалось зашифрованным в отдельном векторе.
Чтобы проверить, можно ли определить эмоциональное состояние животного исключительно по выражению его морды, ученые использовали классификатор случайного леса. Его обучили на данных от трех животных, которых стимулировали каждым раздражителем по три раза. 30 кадров из каждого видео переводили в дескриптор гистограмм направленных градиентов. Затем проводили перекрестную проверку алгоритма.
Также ученые убедились, что изменение мускулатуры морды не было стереотипным рефлексивным ответом на раздражитель. Для этого проверили пять фундаментальных свойств эмоций. Первое — интенсивность — степень эмоции зависит от силы стимула. Значимость — эмоция зависит не от конкретного раздражителя, а от его значения для организма и направлена на то, чтобы либо привлечь животное к событию, либо оттолкнуть. Чтобы проверить это свойство, мышам давали попробовать раствор соли разной концентрации — слабый является приятным, а сильный — отталкивающим стимулом.
Следующее свойство — гибкость: сила эмоции зависит в том числе и от внутреннего состояния особи. Мышам давали пить воду или сладкий раствор, когда те испытывали жажду — ученые предполагали, что в этом случае животные будут сильнее проявлять удовольствие. Кроме того, эмоции должны отражать, предполагает ли особь, что раздражитель может ей навредить или, наоборот, быть полезен. То есть, при обучении, если стимул приобретает для животного новые свойства, эмоции по отношению к нему тоже должны меняться. Чтобы убедиться в этом, исследователи вводили мышам хлорид лития и одновременно давали сладкую воду — реакция на нее после такой процедуры должна была измениться. Наконец, поскольку эмоции отражают и внутреннее состояние организма, реакция на один и тот же стимул не может быть идентичной от попытки к попытке — это свойство называют вариабельностью эмоций.
Известны области мозга людей и животных, возбуждение в которых сопровождает эмоциональные состояния. Авторы предположили, что искусственная активация этих зон будет вызывать изменения выражения морды животного. Для проверки этой гипотезы с помощью методов оптогенетики стимулировали островковую кору и нейроны вентрального бледного шара.
Эпохи дескрипторов, описывающие выражения морды мышей непосредственно до раздражения, во время или сразу после него, были схожи между разными попытками или животными, но отличались для разных стимулов — в ответ на каждый раздражитель мускулатура морды изменялась строго определенным образом. Классификатор смог отличать эмоции разных животных по мимике с точностью до 90 процентов.
Ученые создали усредненный дескриптор для каждого раздражителя и предположили, что он описывает одну из следующих эмоций: удовольствие (вкус сахара), отвращение (вкус хинина), боль (раздражение хвоста), недомогание (инъекция хлорида лития), активное проявление страха (избегание) и пассивный страх (замирание). Эти дескрипторы действительно строго соответствовали отдельным выражениям морды, за исключением активного страха — проявление этой эмоции напоминало одновременно реакцию на горькое и боль.
Мимика мышей отражала эмоции животных и проявляла пять свойств эмоций: интенсивность, значимость, гибкость, адаптивность и вариабельность. Так, при увеличении силы стимула выражение морды мышей все больше было похожим на универсальный дескриптор эмоции. Реакция животных на слабый раствор соли была ближе к удовольствию, а на сильный — к отвращению. После обучения с одновременным введением раствора лития эмоция мышей на сладкий раствор менялась с удовольствия на отвращение. Как у одной мыши от попытки к попытке, так и между разными особями, гримаса, которая отражала одну и ту же эмоцию, немного менялась по интенсивности, скорости и длительности.
Стимуляция передней островковой коры и вентрального бледного шара вызывала изменения лицевой мускулатуры, которые совпадали с эмоцией «удовольствие», а задней островковой коры — «отвращение». Получается, не только внешние раздражители, но и непосредственная активация зон мозга, которые связаны с эмоциями, вызывает соответствующее выражение морды животного.
Если вам интересно узнать, почему ученые считают, что животные тоже испытывают эмоции и они похожи на чувства людей, почитайте книгу «Последнее объятие Мамы. Чему нас учат эмоции животных» Франса Де Вааля. С отрывком из этой книги можно познакомиться на нашем сайте.
Алиса Бахарева
Эта способность независимо возникала у пернатых более 20 раз
Орнитологи объяснили, как некоторые птицы приобрели задние конечности, пригодные для того, чтобы манипулировать предметами, например, хватать добычу или подносить пищу к клюву. Оказалось, что подавляющее большинство видов, обладающих этим признаком, относятся к кладе Telluraves, объединяющей, в частности, дневных хищных птиц, сов, попугаев и воробьинообразных. Судя по всему, миллионы лет назад ранний представитель данной группы перешел к древесному образу жизни, что впоследствии позволило его потомкам как минимум 20 раз обзавестись лапами, которые можно использовать вместо рук. Результаты исследования опубликованы в статье для журнала Communications Biology. Задние конечности позволяют разным видам птиц ходить, бегать, грести и сидеть на растениях или других опорах. А некоторые пернатые научились использовать их, чтобы удерживать предметы, хватать их и манипулировать ими. Например, хищные птицы ловят добычу когтистыми лапами; воробьинообразные пальцами прижимают к поверхности кусочки пищи, чтобы их было удобнее расклевать; а попугаи подносят еду задними конечностями прямо к клюву. Предполагается, что способность птиц использовать лапы для манипулирования различными объектами независимо развилась у нескольких групп благодаря древесному образу жизни. Однако четких подтверждений у этой идеи до сих пор не было. Поискать их решила команда орнитологов под руководством Кристиана Гутьерреса-Ибаньеса (Cristián Gutiérrez-Ibáñez) из Университета Альберты. Сначала исследователи проанализировали научные статьи и монографии и обнаружили в них упоминания о способности удерживать, хватать и подносить к клюву предметы с помощью задних конечностей для 259 видов птиц из 85 семейств. Затем они поискали фотографии и видеозаписи пернатых, ведущих себя подобным образом, в базах данных Macaulay Library и Wikiaves, а также на сайтах Google Images, Flickr, Alamy, YouTube, Twitter и Instagram*. Это позволило дополнить литературные сведения и исключить анекдотические и ошибочные свидетельства. В общей сложности Гутьерресу-Ибаньесу и его коллегам удалось обнаружить 3725 изображений и видеороликов, на которых запечатлены птицы, использующие лапы в качестве манипуляторов. В результате эту способность удалось подтвердить для 1054 видов пернатых из 13 отрядов и 64 семейств. Особое внимание авторы уделили отрядам и семействам, среди представителей которых умение использовать задние конечности вместо рук хорошо известно и широко распространено, например, совам, ястребообразным и соколообразным, попугаям, врановым и синицам. Этот навык подтвердился у 40-95 процентов видов из таких групп. Сравнив полученные результаты с филогенетическим древом птиц, исследователи пришли к выводу, что подавляющее большинство видов пернатых, способных использовать лапы для манипулирования предметами, относятся к кладе Telluraves. Она включает более десяти отрядов, включая ястребообразных, соколообразных, совообразных, попугаеобразных и воробьинообразных. Согласно предложенной авторами реконструкции, появлению у Telluraves задних конечностей, пригодных для удержания предметов, предшествовал переход к древесному образу жизни, который произошел в истории клады всего один раз. Вероятно, миллионы лет назад ранний представитель этой группы, перешедший к жизни на деревьях, обзавелся лапами, которые позволяли ему удерживаться на ветвях и стволах. Такие лапы в процессе эволюции относительно легко преобразовать в манипуляторы. Благодаря преадаптации, связанной с древесным образом жизни общего предка, представители клады Telluraves смогли 20 раз независимо друг от друга развить задние конечности, с помощью которых можно манипулировать предметами. По крайней мере 14 из этих случаев приходятся на отряд воробьинообразных. При этом за пределами группы Telluraves использование лап вместо рук развилось всего четыре раза и встречается менее чем у 15 видов, среди которых восемь видов относятся к роду султанок (Porphyrio). Авторы отмечают, что способность манипулировать объектами с помощью лап неодинаково развита в разных группах, освоивших данный навык. Например, воробьинообразные, за исключением нескольких семейств, могут только прижимать предметы лапами к поверхности. В то же время ястребообразные, соколообразные и совы умеют хватать добычу или другие объекты задними конечностями и подносить ими пищу к клюву. Однако даже им далеко до попугаев, которые помимо этого могут вращать лапами во время манипулирования предметами и иногда даже применяют их во время работы с инструментами. Вероятно, общий предок всех современных попугаев уже умел использовать задние конечностей в качестве манипуляторов; впрочем, его потомки по крайней мере семь раз утрачивали этот признак. Работа Гутьерреса-Ибаньеса и его коллег стала одним из первых исследований, в которых эволюция способности манипулировать предметами с помощью конечностей изучается не на млекопитающих. Авторам удалось подтвердить, что у птиц появление данного навыка в большинстве случаев связано с древесным образом жизни. В какой-то степени возникновение лап, которые можно использовать вместо рук, также объясняется рационом пернатых. Например, в группах, представители или предки которых питаются или питались беспозвоночными и мелкими позвоночными, этот признак встречается чаще. Однако связь здесь не прямая, так что подобный рацион не обязательно приводит к появлению задних конечностей, пригодных для манипулирования объектами. Ранее мы рассказывали, как американские палеонтологи изучили образцы бирманского янтаря, содержащие остатки двух видов энанциорнисовых птиц с уникальным строением ног. У одного вида был длинный третий палец, который, вероятно, служил для добычи насекомых из древесины, у другого — широкий четвертый палец, позволявшийкрепче держаться за подвижные ветки во время выслеживания добычи. Такое строение задних конечностей ранее не встречалось ни среди энанциорнисов, ни среди других групп птиц. *Instagram принадлежат компании Meta, деятельность которой в России запрещена.