У летучих мышей обнаружили встроенный биокомпас

Ученые обнаружили, что встроенный в головы летучих мышей биокомпас показывает путь без карт, не зависит от небесных тел и эхолокации и использует сложные вычисления. Как это работает и кому, кроме биологов, важно?

Представьте, что мчитесь ночью со скоростью 50 км/ч мимо смутных очертаний деревьев. То и дело из темноты вырастают преграды, и за доли секунды вы уворачиваетесь от столкновения. А теперь представьте, что у вас завязаны глаза. Это не сцена из «Битвы экстрасенсов», а будни летучей мыши.

Долгое время ученые полагали, что способность этих животных ориентироваться в пространстве основана на эхолокации и восприятии магнитного поля Земли. Однако недавние исследования международной группы под руководством ученых израильского Института им. Вейцмана показали: в мозге летучих мышей работает автономный нейронный компас. Эта система активируется, когда животное поворачивает голову. Группа нейронов, известных как клетки направления головы, изучалась преимущественно в лабораторных условиях. Ученым Института им. Вейцмана удалось записать активность этих клеток у летучих мышей, свободно летающих над необитаемым островком у побережья Танзании.

Для эксперимента отобрали шесть фруктовых летучих мышей. Им имплантировали специально разработанные для этой работы миниатюрные регистраторы нейронной активности, передающие данные о местоположении с помощью GPS. По словам исследователей, это самые маленькие в мире устройства подобного рода.

После имплантации летучие мыши адаптировались в полетном шатре. Затем их выпускали в одиночный ночной полет продолжительностью 30–50 минут и регистрировали активность более 400 нейронов в глубинных структурах мозга, известных своим участием в навигационных делах. Каждое движение и поворот животного сопровождались мгновенным изменением паттернов нейронной активности. Мозг в этот момент строил детальную карту пространства. Впервые ученые наблюдали, как нейронный компас функционирует не в искусственных условиях, а в естественной среде, полной непредсказуемых препятствий.

Анализ данных, собранных в разных частях острова, показал, что при перемещении мыши с западного берега на южный внутренняя стрелка не сбивается: север остается севером, а юг — ​югом, несмотря на изменения рельефа. Нейроны продолжали точно указывать направление даже при изменении скорости и высоты полета. Важно, что работа компаса не зависела от небесных тел и магнитного поля Земли. Это отличает навигационную систему летучих мышей от механизмов ориентации у перелетных птиц.

Уникальность компаса летучих мышей заключается в способности интегрировать множество сенсорных сигналов. Хотя животные используют топографические признаки — ​скалы, валуны и другие особенности рельефа, ключевое отличие их навигационной системы от основанной на магнитных полях состоит в том, что она требует сложных нейронных вычислений для построения и постоянной актуализации когнитивной карты местности.

Открытие нейронного компаса у летучих мышей демонстрирует, как устроены сложные когнитивные процессы нервной системы млекопитающего и как они функционируют в переменчивой среде. Изучение этих процессов расширяет перспективы разработки систем навигации искусственного интеллекта и автономных роботов. Применение биологических принципов в алгоритмах машинного ориентирования позволит создавать более адаптивные системы, способные к обучению и корректировке поведения — ​подобные той, что позволяет летучей мыши уверенно маневрировать в ночном лесу.

Справка

Эхолокация — ​способ ориентации в пространстве, при котором животное испускает звуковые сигналы и анализирует эхо. По времени задержки и характеру отраженного звука мозг определяет расположение, размер, форму и движение объектов.

Мемристорные чипы — ​электронные компоненты, которые меняют сопротивление в зависимости от прошедшего через них заряда и запоминают предыдущие состояния. Они функционируют подобно синапсам в нервной системе, что делает их перспективной основой для создания нейроморфных компьютеров (схожи с человеческим мозгом по принципу обработки информации).

Фруктовые летучие мыши — ​рукокрылые, основным рационом которых являются фрукты, нектар и пыльца. Часто выступают объектами нейробиологических исследований из-за крупного размера и развитых когнитивных способностей.

Кстати

«Мозгоподобная» электроника — ​мировой тренд. В рамках научной программы Национального центра физики и математики разработана система управления роботами на основе биофизических нейронастроцитарных сетевых моделей. Эта технология получила развитие благодаря применению нового поколения мемристорных чипов (на фото) — ​компактных и энергоэффективных компонентов, обрабатывающих команды в реальном времени.