Kako mozak muhe izračunava svoj položaj u prostoru
Navigacija ne ide uvijek kako je planirano - lekcija koju muhe uče na teži način, kada ih snažan vjetar tjera unatrag uprkos njihovim krilima koja udaraju naprijed. Ribe plivaju uzvodno, rakovi koji plivaju postrance, pa čak i ljudi koji vise ulijevo dok gledaju udesno bore se sa sličnim izazovima. Kako mozak izračunava smjer kretanja životinje kada je glava usmjerena u jednom smjeru, a tijelo u drugom smjeru, misterij je neuroznanosti.
Nova studija čini značajan napredak u rješavanju ove misterije izvještavajući da mozak muhe ima skup neurona koji signaliziraju smjer u kojem tijelo putuje, bez obzira na smjer u kojem je glava usmjerena. Nalazi, objavljeni u časopisu Nature, također detaljno opisuju kako mozak muhe izračunava ovaj signal iz osnovnih senzornih inputa.
"Ne samo da ovi neuroni signaliziraju smjer kretanja muhe, već to čine i u referentnom okviru usmjerenom na svijet", kaže neuroznanstvenica Gaby Maimon. Ono što je izvanredno, dodaje autor Cheng Lyu, jest da ovi insekti pretvaraju senzorne inpute vezane za tijelo u signal orijentiran na svijet, omogućujući muhi da zna da putuje, na primjer, za 90 stupnjeva desno od sunca ili prema sjeveru.
Pronalaženje svog mjesta
Čak i kada zatvorimo oči, obično imamo dobru ideju o tome gdje se nalazimo u prostoriji i na koji način smo okrenuti. To je zato što, čak i u tami, naš mozak konstruira unutarnje razumijevanje o tome gdje se nalazimo u svemiru. Osamdesetih godina 20. stoljeća znanstvenici su otkrili da skupina stanica zvanih stanice smjera glave igra ključnu ulogu u otkrivanju naše kutne orijentacije, a kasnije je otkriveno da muhe imaju stanice sa sličnim funkcijama. Aktivnost stanica pokazuje kut u kojem je glava usmjerena, slično tome kako igla kompasa pokazuje nečiju orijentaciju u okruženju.
Sve je u redu dok hodamo — ili muhe lete — u istom smjeru u kojem je okrenuta glava. Ćelije smjera glave mogu se koristiti za ažuriranje unutarnjeg osjećaja kamo se ide. Ali ako hodamo prema sjeveru okrenuti prema istoku, ili ako muha pokuša zujati naprijed dok je vjetar gura unatrag, ćelije smjera glave pokazuju u pogrešnom smjeru. Ipak, sustav još uvijek radi. Muhe se relativno ne uznemiravaju zbog neugodnih struja vjetra, a ljudi se ne gube kada se okreću kako bi vidjeli krajolik. Lyu i Maimon pitali su se kako muhe znaju kamo idu, čak i kada su njihove stanice za smjer glave naizgled prenosile netočne informacije.
Kako bi odgovorio na ovo pitanje, Lyu je zalijepio voćne mušice na minijaturne pojaseve koji drže samo glave insekata na mjestu, omogućujući mu da bilježi moždanu aktivnost dok muhe ostavlja slobodno da mašu krilima i upravljaju svojim tijelima kroz virtualno okruženje. Postavka je sadržavala nekoliko vizualnih znakova, uključujući jako svjetlo koje predstavlja sunce i polje prigušenih točaka koje se moglo podesiti kako bi se muha osjećala kao da ju je vjetar nosio unatrag ili u stranu.
Kao što se i očekivalo, stanice smjera glave dosljedno su pokazivale orijentaciju muhe prema suncu, simuliranu jakim svjetlom, neovisno o kretanju tamnijih točaka. Osim toga, istraživači su identificirali novi skup stanica koje su pokazivale u kojem smjeru muhe putuju, a ne samo u smjeru u kojem je njihova glava pokazivala. Na primjer, ako su muhe bile usmjerene izravno prema suncu na istoku, dok su bile otpuhane unatrag, ove stanice su ukazivale da su muhe (praktički) putovale na zapad. "Ovo je prvi skup stanica za koje se zna da pokazuju na koji se smjer životinja kreće u referentnom okviru usmjerenom na svijet", kaže Maimon.
Mentalna matematika
No, tim se također pitao kako mozak muhe izračunava smjer kretanja životinje na staničnoj razini. Surađujući s Larryjem Abbottom, teoretičarom na Zuckerman institutu Sveučilišta Columbia, Lyu i Maimon uspjeli su pokazati da mozak muhe sudjeluje u svojevrsnoj matematičkoj vježbi.
Student fizike koji crta putanju objekta će razbiti putanju na komponente gibanja, ucrtane duž x- i y-osi. Slično u mozgu muhe, četiri klase neurona koji su osjetljivi na vizualno kretanje ukazuju na smjer kretanja muhe kao komponente duž četiri osi. Svaka neuronska klasa može se smatrati matematičkim vektorom. Kut vektora pokazuje u smjeru njegove pridružene osi.
Duljina vektora pokazuje koliko se brzo muha kreće u tom smjeru. "Nevjerojatno, neuronski krug u mozgu muhe rotira ova četiri vektora tako da su pravilno poravnati s kutom sunca, a zatim ih zbraja", kaže Maimon. "Rezultat je izlazni vektor koji pokazuje u smjeru u kojem muha putuje, u odnosu na sunce."
Vektorska matematika je više od samo analogije za izračunavanje koje se odvija. Umjesto toga, čini se da mozak muhe doslovno izvodi vektorske operacije. U ovom krugu populacije neurona eksplicitno predstavljaju vektore kao valove aktivnosti, pri čemu položaj vala predstavlja kut vektora, a visina vala njegovu duljinu. Istraživači su čak testirali ovu ideju precizno manipulirajući duljinom četiri ulazna vektora i pokazujući da se izlazni vektor mijenja baš kao što bi se dogodilo da muhe doslovno zbrajaju vektore.
"Dajemo snažan argument da je ono što se ovdje događa eksplicitna implementacija vektorske matematike u mozgu." kaže Maimon. "Ono što ovu studiju čini jedinstvenom je to što pokazujemo, s opsežnim dokazima, kako neuronski sklopovi provode relativno sofisticirane matematičke operacije."
Razumijevanje prostorne spoznaje
Ovo istraživanje pojašnjava kako muhe u ovom trenutku shvaćaju kojim putem idu. Buduće studije će ispitati kako ovi insekti prate smjer svog putovanja tijekom vremena kako bi znali gdje su na kraju završili. "Ključno pitanje je kako mozak integrira signale povezane sa smjerom putovanja i brzinom životinje tijekom vremena kako bi formirao sjećanja", kaže Lyu. "Istraživači mogu koristiti naše nalaze kao platformu za proučavanje kako izgleda radno pamćenje u mozgu."
Nalazi bi mogli imati implikacije i na bolesti ljudi. Budući da je prostorna zbrka često rani znak Alzheimerove bolesti, mnogi neuroznanstvenici zainteresirani su za razumijevanje kako mozak konstruira unutarnji osjećaj prostora. "Činjenica da kukci, sa svojim sićušnim mozgom, imaju eksplicitno znanje o smjeru svog putovanja, trebala bi natjerati istraživače da traže slične signale i analogne kvantitativne operacije u mozgu sisavaca", kaže Maimon.
"Ovakvo otkriće moglo bi informirati o aspektima disfunkcije koja je u pozadini Alzheimerove bolesti, kao i drugih neuroloških poremećaja koji pogađaju prostornu spoznaju."
Izvor: Nature