Piosenki miłosne są co najmniej tak samo popularne w królestwie zwierząt, jak w radiu. Znaczenie muzycznej serenady twojej prawdziwej miłości napędza wątki od „Wieczoru Trzech Króli”, przez „Trąbkę Łabędzią”, aż po „Szczęśliwe Stopy”.
Najnowsze badania muzyki w świecie przyrody mają miejsce w laboratorium Mali Murthy w Princeton Neuroscience Institute, gdzie Murthy i jej grupa badawcza wykorzystali obrazowanie neuronowe, optogenetykę, przechwytywanie ruchu, modelowanie i sztuczną inteligencję, aby dokładnie określić, gdzie i jak owoc mózg muchy przełącza się pomiędzy standardową solówką a serenadą godową. Ich badania ukazują się w bieżącym numerze czasopisma Nature.
„Dla mnie to bardzo satysfakcjonujące, że w zespole wyjątkowych naukowców pochodzących z różnych środowisk połączyliśmy siły i metodologie, aby odkryć kluczowe cechy obwodu neuronowego, które mogą wyjaśnić złożone zachowanie – wzór pieśni godowej” – mówi. powiedział Frederic Römschied, pierwszy autor tej pracy i były pracownik podoktorski w laboratorium Murthy’ego. Obecnie jest liderem grupy w Europejskim Instytucie Neuronauki w Getyndze w Niemczech.
„Może być zaskoczeniem odkrycie, że muszki owocowe brzęczące wokół banana potrafią śpiewać, ale to coś więcej niż muzyka, to komunikacja” – powiedział Murthy, profesor Karola i Marnie Marcinów ’96 i dyrektor Instytutu Neuronauki w Princeton. „To rozmowa w tę i z powrotem. On śpiewa, ona zwalnia, a ona odwraca się, a potem on śpiewa więcej. Ciągle ocenia jej zachowanie, aby zdecydować, jak dokładnie śpiewać. W ten sposób wymieniają informacje. W przeciwieństwie do ptaka śpiewającego, który wyśpiewuje swoją piosenkę ze swojej grzędy, dostraja wszystko do tego, co robi. To dialog”.
Badając działanie tych maleńkich mózgów, badacze mają nadzieję uzyskać spostrzeżenia, które okażą się przydatne w przypadku większych i bardziej złożonych mózgów, które są miliony razy trudniejsze do zbadania. W szczególności zespół Murthy’ego próbuje ustalić, w jaki sposób mózg decyduje, jakie zachowanie jest właściwe w jakim kontekście.
„Jedną z najbardziej imponujących zdolności mózgu jest jego zdolność do generowania wzorców zachowań odpowiednich w określonych kontekstach” – powiedział Max Aragon, student piątego roku w laboratorium Murthy’ego. „Na przykład sposób, w jaki rozmawiasz z grupą bliskich przyjaciół w kawiarni, prawdopodobnie bardzo różni się od sposobu, w jaki rozmawiasz z krewnymi podczas kolacji. Co dzieje się w mózgu, co pozwala nam wygenerować tę elastyczność behawioralną?”
Zaloty muszek owocowych w piosence
Podobnie jak świerszcze i koniki polne, muszki owocowe również używają skrzydeł do śpiewania, ale pojedynczo rozciągają się i wibrują po jednym skrzydle. W przypadku Drosophila melanogaster śpiewają tylko samce muszek owocowych. Samice reagują oddalaniem się lub zwalnianiem, aby umożliwić samcowi podejście. Samce muszek owocowych nie mogą wymuszać krycia; musi ją uwieść.
„Goni ją i śpiewa dla niej, a ona decyduje, czy zwolnić dla niego, czy nie” – powiedział Murthy. „Będą tańczyć przez około 20 minut, aż zwolni na tyle, aby się połączyć. Podczas zalotów zaśpiewa jej setki „piosenek”.
Najprostsze napady w piosence trwają tylko ułamek sekundy, a skomplikowane napady mogą trwać kilka sekund.
Murthy odtworzył fragment serenady muszki owocowej, wzmocniony tysiące razy: seria impulsów zmieszanych z bardziej muzycznymi tonami.
„To jest prawdziwa piosenka. Nie jest zwalniana ani przyspieszana” – powiedział Murthy. „Jest tak cicho, że nawet gdyby muszka owocowa wylądowała ci w uchu, nie usłyszałbyś jej. Trzeba ją wzmocnić, bo muszki owocowe mają maleńkie skrzydełka, ale to wszystko. Właściwie to jej śpiewa”.
„Impulsy” to dźwięki wydawane przez samca, gdy jest dalej, aby zwrócić na siebie uwagę samicy, a bardziej melodyjna serenada, którą wykonuje z bliska, to piosenka „sinusowa”. Istnieje trzeci tryb, „złożony”, który przełącza pomiędzy utworami pulsacyjnymi i sinusoidalnymi.
Gdy on goni, a ona unika lub zachęca do jego podejścia, piosenka przełącza się pomiędzy prostymi piosenkami pulsującymi, a złożonymi serenadami pulsacyjnymi i sinusoidalnymi. Wydaje się, że jej również podoba się ten naprzemienny wzór. W klinicznym języku akademickim w artykule napisano: „Złożoność pieśni może być pożądana dla kobiety, ponieważ większość ataków bezpośrednio poprzedzających kopulację jest złożona”.
Odważne zakłady w Princeton na badania oparte na ciekawości
Do odpowiedzi na to pytanie przyczyniło się kilka zasobów Princeton. Zespół wykorzystał LEAP (LEAP Estimates Animal Pose) i następną generację SLEAP (Social LEAP Estimates Animal Poses), oba narzędzia do przechwytywania ruchu oparte na głębokim uczeniu się, opracowane w ramach poprzedniej współpracy z Princeton, które dokładnie określiły ilościowo, w jaki sposób muchy się poruszają i gdzie są ze sobą powiązane. Ponadto w finansowanym ze środków funduszu Bezos Center for Neural Circuit Dynamics przeprowadzono obrazowanie neuronowe much.
„Princeton to szczególne miejsce, które zachęca do współpracy naukowców o różnorodnej wiedzy specjalistycznej, od neuronauki obliczeniowej po fizykę i nie tylko” – powiedział Aragon. „Zwłaszcza PNI jest stosunkowo małym instytutem, więc istnieje duża szansa, że natkniesz się na kogoś, kto ma świetny pomysł, który dokładnie rozwiąże problem, z którym borykasz się w swojej pracy”.
„Praca w Princeton i praca z Mala Murthy stworzyła atmosferę niezwykle wspierającą, w której zawsze zachęcano do nowatorskich pomysłów, a droga od pomysłu do eksperymentu była wolna od biurokratycznych przeszkód” – zgodził się Römschied.
Korzystając z SLEAP, naukowcy wykazali, że główną przyczyną przełączania się między trybem solo a trybem serenady była bliskość – to, jak blisko siebie znajdowały się samce i samice muszek owocowych.
„Nasza praca odkryła przełącznik w jego mózgu” – powiedział Murthy. „Kiedy przełącznik jest włączony, może zaśpiewać piękną, długą piosenkę, a potem natychmiast, gdy tylko na chwilę się od niej odsunie, przełącznik się wyłącza i on śpiewa tylko jedną prostą piosenkę. Pokazaliśmy, że działa ten jeden obwód nerwowy w dwóch trybach za pomocą przełącznika. Nie potrzebujesz osobnego obwodu, aby wygenerować inny utwór. Nie było to wcześniej pokazane.
„Podoba mi się pomysł obwodu przełączającego między reżimami” – kontynuowała. „To takie proste. Nie musisz ciągle tworzyć nowych obwodów dla każdego nowego zachowania. To takie ładne, eleganckie rozwiązanie”.