Lot nietoperza ujawnia sposób, w jaki nawigują nasze mózgi
Neurolodzy od lat wiedzą, że formacja hipokampu w mózgu zawiera neurony, które są wyraźnie związane z przestrzenią i mają olbrzymie znaczenie dla pamięci, a w szczególności tej przestrzennej. „Tam właśnie znajdują się komórki miejsca, które pozwalają nam określić swoją orientację w przestrzeni”, wyjaśnia koordynator projektu NATURAL_BAT_NAV Nachum Ulanovsky, profesor zajmujący się badaniami nad mózgiem w Instytucie Naukowym Weizmana w Izraelu. „Z drugiej strony mamy komórki sieci, które działają jak linijka, umożliwiając zwierzęciu pomiar przestrzeni”. Istnieją również komórki określające kierunek głowy, które działają jak swoisty kompas, oraz komórki ściany, które określają granice danej przestrzeni. Podsumowując, te neurony pomagają nam nawigować i odnajdować się w kontekście otoczenia.
Podejście naturalistyczne
Neuronaukowcy dopiero zaczynają w pełni rozumieć, jak właściwie działa zdolność nawigacyjna formacji hipokampu. „Eksperymenty w neuronauce przeprowadza się zwykle w małych, kontrolowanych środowiskach”, mówi Ulanovsky. „Rzeczywista nawigacja wygląda zupełnie inaczej, chcieliśmy więc uruchomić otwarty projekt, który zapewni bardziej naturalne podejście”. Aby to osiągnąć, Ulanovsky zastąpił zwykłe eksperymenty z myszami i labiryntami laboratoryjnymi tunelem o długości 200 metrów i grupą nietoperzy. Ponieważ nietoperze latają w trzech wymiarach, poruszają się szybko i pokonują duże obszary, doskonale nadają się do zrozumienia roli hipokampu mózgu podczas nawigacji na duże odległości. Nietoperzom zamocowano bezprzewodowe urządzenia neurofizjologiczne do przechwytywania i przechowywania danych. Następnie zwierzęta śledzono za pomocą systemu podobnego do GPS, który zapewnił uczonym wyjątkową dokładność pozycjonowania.
Śledzenie pracy mózgu
Ulanovsky był w stanie wykazać, że nietoperze lecące w kierunku celów nawigacyjnych wykorzystują neurony odpowiedzialne za reprezentację zarówno kierunku, jak i odległości. Ten tak zwany wektor został po raz pierwszy znaleziony w hipokampie. „Udało się nam również wykazać, że w hipokampie istnieją konkretne neurony odpowiedzialne za reprezentację miejsc, w których znajdują się inne nietoperze”, dodaje Ulanovsky. „Nazwaliśmy te komórki komórkami miejsc społecznych. Mogą one odgrywać ważną rolę na przykład w procesie, dzięki któremu piłkarz jest w stanie znaleźć swoich kolegów z drużyny i zakończyć skutecznie podanie”. Śledzenie nietoperzy pomogło również Ulanovsky’emu wskazać konkretne neurony wspomagające trójwymiarową nawigację przestrzenną oraz poruszanie się po dużych przestrzeniach u nietoperzy. Ulanovsky i jego zespół odkryli, że nietoperze używają pewnego rodzaju wieloskalowego kodu nawigacyjnego do podawania swojej pozycji w długim 200-metrowym tunelu. „Co ciekawe, urodzone w laboratorium nietoperze, które nigdy nie widziały dużych przestrzeni, używały tego samego kodu nawigacyjnego, co nietoperze dzikie”, zauważa Ulanovsky. „Sugeruje to, że ten wieloskalowy kod nie zależy od doświadczeń, lecz raczej stanowi niezawodny i bardzo podstawowy mechanizm. Naturalistyczne projekty behawioralne, takie jak ten, mogą przynieść zaskakujące rezultaty”. Zdaniem Ulanovsky’ego jest za wcześnie, by mówić, jaki wpływ mogą mieć te badania podstawowe na leczenie chorób mózgu czy inne rzeczywiste zastosowania. Mają one jednak niewątpliwie potencjał, biorąc pod uwagę, że formacja hipokampu jest miejscem, w którym powstają wspomnienia i pierwszym regionem mózgu, który wykazuje oznaki choroby Alzheimera. Równie wielki potencjał zdaje się mieć odkrycie dotyczące sposobu wykorzystania swoistego kodu wieloskalowego do poruszania się po dużych przestrzeniach przez nietoperze. To odkrycie może wpłynąć na rozwój algorytmów nawigacyjnych, w tym tych opartych na uczeniu maszynowym.
Słowa kluczowe
NATURAL_BAT_NAV, neurobiologia, mózg, nietoperze, neurony, hipokamp, nawigacja, neuronauka