Gdy irytująco brzęczą wokół partii bananów w naszej kuchni, wydaje się, że muszki owocowe mają niewiele wspólnego ze ssakami. Jednak jako gatunek modelowy dla nauki naukowcy odkrywają coraz większe podobieństwa między nami a maleńkimi owadami kochającymi owoce.
W nowym badaniu naukowcy z Kavli Institute for Brain and Mind (KIBM) przy Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego odkryli, że muszki owocówki (Drosophila melanogaster) mają bardziej zaawansowane zdolności poznawcze niż wcześniej sądzono. Wykorzystując specjalnie zbudowane immersyjne środowisko wirtualnej rzeczywistości, manipulacje neurogenetyczne i obrazowanie aktywności mózgu w czasie rzeczywistym in vivo, naukowcy przedstawili 16 lutego w czasopiśmie Nature nowe dowody na niezwykłe powiązania między zdolnościami poznawczymi much i ssaków.
Wielopoziomowe podejście do ich badań wykazało, że uwaga, pamięć robocza i świadome zdolności podobne do świadomości u muszek owocowych, zdolności poznawcze zwykle testowane tylko u ssaków. Naukowcy byli w stanie obserwować powstawanie, rozpraszanie się i ewentualne zanikanie śladu pamięciowego w ich malutkich mózgach.
„Pomimo braku oczywistego podobieństwa anatomicznego, te badania odnoszą się do naszego codziennego funkcjonowania poznawczego – na co zwracamy uwagę i jak to robimy” – powiedział starszy autor badania Ralph Greenspan, profesor z Wydziału Nauk Biologicznych Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego. zastępca dyrektora KIBM. „Ponieważ wszystkie mózgi wyewoluowały ze wspólnego przodka, możemy narysować powiązania między regionami mózgu muchy i ssaków w oparciu o cechy molekularne i sposób przechowywania naszych wspomnień”.
Aby dotrzeć do sedna swoich nowych odkryć, badacze stworzyli wciągające środowisko wirtualnej rzeczywistości, aby przetestować zachowanie muchy za pomocą stymulacji wizualnej i połączyli wyświetlane obrazy z laserem na podczerwień jako bodźcem przeciw cieplnym. Panoramiczna arena prawie 360 stopni pozwoliła Drosophilie swobodnie machać skrzydłami, pozostając na uwięzi, a dzięki ciągłej aktualizacji wirtualnej rzeczywistości w oparciu o ruch skrzydeł (analizowanych w czasie rzeczywistym za pomocą szybkich kamer widzenia maszynowego) dała muchom iluzja swobodnego latania po świecie. Dało to naukowcom możliwość trenowania i testowania much pod kątem zadań kondycjonowania, umożliwiając owadom oddalanie się od obrazu związanego z negatywnym bodźcem cieplnym i w kierunku drugiego obrazu niezwiązanego z ciepłem.
Przetestowali dwa warianty kondycjonowania: jeden, w którym muchy otrzymywały stymulację wizualną nakładającą się w czasie z upałem (opóźnienie kondycjonowania), oba kończyły się razem, lub drugi, kondycjonowanie śladowe, czekając od 5 do 20 sekund na dostarczenie ciepła po pokazaniu i usunięcie stymulacji wizualnej. Interweniujący czas jest uważany za interwał „śladowy”, podczas którego mucha zachowuje „ślad” bodźca wzrokowego w swoim mózgu, cechę wskazującą na uwagę, pamięć roboczą i świadomą świadomość u ssaków.
Naukowcy wykonali również obrazowanie mózgu, aby śledzić aktywność wapnia w czasie rzeczywistym za pomocą cząsteczki fluorescencyjnej, którą genetycznie wbudowali do swoich komórek mózgowych. Umożliwiło to naukowcom zarejestrowanie powstawania i czasu trwania żywej pamięci muchy, ponieważ widzieli migający ślad podczas przebywania w pamięci krótkotrwałej (roboczej) muchy. Odkryli również, że rozproszenie uwagi wprowadzone podczas treningu – delikatne podmuchy powietrza – sprawiło, że pamięć wzrokowa zanikała szybciej, co oznacza, że po raz pierwszy naukowcy byli w stanie udowodnić takie rozkojarzenie u much i implikuje konieczność uwagi w tworzeniu pamięci u Drosophila .
„Ta praca pokazuje nie tylko, że muchy są zdolne do tej wyższej formy warunkowania śladowego i że uczenie się jest rozpraszalne, podobnie jak u ssaków i ludzi, ale aktywność neuronalna leżąca u podstaw tych procesów uwagi i pamięci roboczej u muchy wykazuje niezwykłe podobieństwo do tych u ssaków” – powiedział Dhruv Grover, członek wydziału badawczego KIBM Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego i główny autor nowego badania. „Ta praca pokazuje, że muszki owocowe mogą służyć jako potężny model do badania wyższych funkcji poznawczych. Mówiąc najprościej, mucha nadal zadziwia swoją inteligencją”.
Naukowcy zidentyfikowali również obszar mózgu muchy, w którym tworzyła się i zanikała pamięć – obszar znany jako elipsoidalne ciało centralnego kompleksu muchy, lokalizacja, która odpowiada korze mózgowej w ludzkim mózgu.
Ponadto zespół badawczy odkrył, że neurochemiczna dopamina jest wymagana do takiego uczenia się i wyższych funkcji poznawczych. Dane ujawniły, że reakcje dopaminy pojawiały się coraz szybciej w procesie uczenia się, ostatecznie przewidując nadchodzący bodziec cieplny.
Naukowcy badają teraz szczegóły dotyczące fizjologicznego kodowania uwagi w mózgu. Grover uważa, że lekcje wyciągnięte z tego systemu modelowego prawdopodobnie bezpośrednio wpłyną na nasze zrozumienie ludzkich strategii poznawczych i zaburzeń nerwowych, które je zakłócają, ale także przyczynią się do nowych podejść inżynierskich, które prowadzą do przełomów wydajnościowych w projektach sztucznej inteligencji.
Współautorami badania są Dhruv Grover, Jen-Yung Chen, Jiayun Xie, Jinfang Li, Jean-Pierre Changeux i Ralph Greenspan (wszyscy związani z Instytutem Mózgu i Umysłu UC San Diego Kavli, a także J.-P. Changeux członek Collège de France).
Źródło historii:
Materiały dostarczone przez Uniwersytet Kalifornijski – San Diego. Oryginał napisany przez Mario Aguilerę. Uwaga: Treść można edytować pod kątem stylu i długości.