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