Насекомые по запаху нашли яблоню в виртуальной реальности
Ученые из Индии и Германии создали арену виртуальной реальности для насекомых, в которой можно исследовать поисковое поведение животных на больших расстояниях в условиях, близких к естественным. Экспериментальная модель позволяет наблюдать за перемещением насекомых в потоках ветра или в присутствии градиента запаха. Протестированные двукрылые успешно находили объекты (яблони или цветки) в виртуальном пространстве, даже если для этого нужно было двигаться против ветра. При отсутствии зрительных стимулов насекомые двигались в направлении источника фруктового запаха. Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
При поисковом поведении животные различают сигналы среды, выделяют нужные объекты и движутся к ним — для этого необходима непрерывная динамичная оценка пространства и постоянная подстройка траектории. Расшифровка механизмов поискового поведения может быть полезна для создания и улучшения алгоритмов искусственного интеллекта, роботов и поисковых систем интернета.
Летающие насекомые способны находить объекты на расстояниях, которые превышают размеры их тела на три порядка (например, для сантиметрового животного это более десяти метров). На таких масштабах насекомые не могут видеть объекты, и для ориентации они используют целый ряд сигналов: запахи, направление и силу ветра, положение горизонта. Кроме того, эти животные поддерживают положение собственного тела при полете и определяют пройденную дистанцию.
Мы плохо понимаем, как именно насекомые интегрируют стимулы окружающей среды при поисковом поведении на больших расстояниях: в исследованиях необходимо учитывать большое число параметров, и следить одновременно за быстро перемещающимся животным и положением стимула в естественных условиях трудно. Решить эту проблему можно с помощью виртуальной реальности — в ней можно управлять всеми стимулами и контролировать поведенческий ответ.
Индийские ученые Паван Кумар Каушик (Pavan Kumar Kaushik) и Шеннон Олссон (Shannon Olsson) из Института фундаментальных исследований Тата вместе с Марианом Ренцом (Marian Renz) из Билефельдского университета помещали различных двукрылых насекомых в мультимодальную виртуальную реальность. Протестировали вредителя из Северной Америки (яблонную пестрокрылку Rhagoletis pomonella), тропического переносчика инфекций (желтолихорадочного комара Aedes aegypti), азиатский вид (Pselliophora laeta) и опылителя-космополита (ильницу Eristalis tenax) Насекомых закрепляли в арене перед экраном, на который выводили изображение яблони (или цветка для ильницы) в поле. Животные могли бесконечно исследовать виртуальное пространство; кроме изображения, в арене создавали направленный поток воздуха и источники запахов.
Если в среде были только трава и небо, насекомые летали в случайном направлении; когда в виртуальной реальности появлялась яблоня, двукрылые направленно двигались в ее сторону. Значит, насекомые могут распознавать 3D объекты в виртуальной среде. Чем дальше находилось дерево, тем меньше двукрылые фиксировались на нем и двигались в его сторону. Когда в среде было два дерева: маленькое близко к начальной позиции животного и большое на удалении (их начальные угловые размеры совпадали), двукрылые предпочитали лететь к маленькому и близкому дереву — при выборе объектов насекомые комплексно обрабатывают трехмерные зрительные сигналы.
Когда в арене создавали потоки воздуха, которые имитировали ветер (в зависимости от положения насекомого в виртуальной среде воздух подавался с разных сторон, так что относительно виртуального пространства направление ветра оставалось постоянным), насекомые предпочитали лететь по направлению воздушного потока. Если же в пространстве появлялось дерево, двукрылые приближались к нему и против ветра.
Наконец, в среду добавили фруктовый аромат. В естественной среде запахи распространяются прерывистыми струйками. Для того, чтобы имитировать это, запах выделяли в среду небольшими порциями, когда насекомое попадало в полосу шириной два метра, имитирующую поток запаха. Частота выброса летучих веществ была тем выше, чем ближе насекомое подлетало к дереву. Яблоню в виртуальной среде расположили против ветра и достаточно далеко, чтобы только зрительная информация не могла направить насекомых в сторону дерева.
Двукрылые оставались в потоке запаха и двигались в сторону дерева, если направление ветра и источник запаха совпадали. При разделении этих стимулов насекомые не реагировали ни на один из них.
Метод, который протестировали в этой работе, поможет лучше понять многие аспекты поискового поведения насекомых; с помощью него можно изучать реакцию животных на большее число объектов и стимулов. Полученные данные могут помочь в борьбе с вредителями: какие ловушки лучше использовать и как их располагать.
Ученые помещают в виртуальную реальность самых разных животных. Например, существуют VR-комнаты для мух, мышей и даже рыб, в которых животные не закреплены и могут двигаться свободно.
Алиса Бахарева
Это напоминает игровое поведение
Исследователи из Германии поместили дрозофил в арену с вращающимся диском и обнаружили, что небольшая часть мух проводит на этом диске какое-то время и, возможно, получает удовольствие от вращения. Такое поведение очень похоже на игровое, однако его нейронные корреляты еще предстоит изучить. Препринт опубликован на bioRxiv.org. Люди и нечеловеческие животные любят играть. Причем не только млекопитающие: игровое поведение замечали у птиц, гекконов и даже рыб. Игровое поведение отличается от любого другого: оно должно не иметь отношения к выживанию, быть произвольным и преднамеренным, повторяющимся, но не стереотипным, и происходить не в условиях стресса. Не так давно исследователи обнаружили, что играют даже беспозвоночные — шмели без всякой практичной цели катали деревянные шарики, а у бумажных ос и пауков замечали социальную игру. Однако игра беспозвоночных, которую ученым удалось зафиксировать, была ограничена взаимодействием с сородичами или предметами. Теперь Тельман Трифон (Tillman Triphan) и Вольф Хюттерот (Wolf Huetteroth) из Лейпцигского университета обнаружили, что плодовые мушки дрозофилы (Drosophila melanogaster) не прочь покрутиться на вращающемся диске. И это уже другой тип игры, если такое поведение все-таки можно назвать игрой. Самцов дрозофил (112 штук) поместили в экспериментальную арену, где у них был свободный доступ к пище и постоянно вращающийся диск на уровне пола. Мухи могли запрыгивать на этот диск или, наоборот, избегать его, или же игнорировать. Контрольных мух (194 штуки) в свою очередь поместили в такую же арену, где диск не вращался. Несколько дней за мухами наблюдали, не вмешиваясь. Поскольку дрозофилы могли сами решать, залезать на диск или нет, это отличалось от вынужденного пассивного движения, которое вызывает у мух стресс. Большинство дрозофил (60 штук) проигнорировало вращающийся диск — они не избегали его, но и не выражали большого интереса. Еще 18 дрозофил избегали вращающегося диска и большую часть времени провели за едой. Однако общая продолжительность времени, которое мухи провели на диске, было выше, когда диск вращался. Небольшое подмножество мух (10 штук) более 5 процентов времени сидело на диске и чаще возвращались на него, если покидали. Тогда исследователи поместили на арену два диска, которые вращались попеременно по 5 минут. В итоге 33 мухи, которые проводили больше времени на диске в прошлом испытании, здесь перемещались с диска на диск — чтобы покрутиться. То есть они намеренно и неоднократно садились на крутящийся диск, и, таким образом, стало ясно, что вращение им нравится. Возможно, такое вращение каким-то образом улучшает проприорецепцию дрозофил (то есть чувство собственного тела) и сенсомоторный контроль. Однако требуются дальнейшие исследования, чтобы выяснить, какая нейронная активность за этим стоит. Недавно ученые Великобритании обнаружили, что некоторые обезьяны кружатся на веревках до головокружения — и, видимо, получают от этого удовольствие.