Badanie niezwykłych zdolności orientacji przestrzennej mrówek
Każdy, kto kiedykolwiek obserwował mrówki, z pewnością zauważył ich zdolności do wspólnego transportowania przedmiotów, które są od nich znacznie większe i cięższe, jak również zdolności znajdowania najlepszej trasy wprost do mrowiska, bijąc na głowę nowoczesną technologię GPS. W związku z tym nasuwa się oczywiste pytanie. W jaki sposób ich maleńkie mózgi przetwarzają wszystkie informacje potrzebne do odpowiedniego reagowania? U niektórych gatunków mrówek zbieracze, czyli osobniki zajmujące się furażowaniem, samotnie opuszczają mrowisko w poszukiwaniu pożywienia. Co ciekawe, nie używają one śladów chemicznych, ale polegają głównie na zmyśle wzroku i uczeniu się. „Mrówki mogą opracowywać i zapamiętywać w sposób wizualny długie trasy, które wiją się przez niezwykle złożony teren ich naturalnego środowiska, w przypadku niektórych gatunków sięgające nawet stu metrów od mrowiska. Nigdy się nie gubią, a wszystko to zawdzięczają mózgowi mniejszemu niż główka szpilki i oczom o słabej rozdzielczości. Posiadanie takich umiejętności nawigacyjnych przy tak skromnych narzędziach jest dowodem na to, że możemy się wiele od nich nauczyć”, wyjaśnia Antoine Wystrach z francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych (CNRS). Aby lepiej zrozumieć te umiejętności, Wystrach rozpoczął badania tego zagadnienia w ramach projektu EMERG-ANT, wspartego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych.
Mrówki w wirtualnym świecie
Aby spróbować odtworzyć reakcje mrówek w symulacjach, zespół projektu opracował środowisko rzeczywistości wirtualnej obejmujące specjalnie zaprojektowane swobodnie poruszające się kule umieszczone w cylindrycznym układzie diod LED w zakresie 360°. „Dzięki rejestrowaniu ruchu kuli mogliśmy wywnioskować, w jaki sposób poruszałaby się mrówka”, podkreśla Wystrach. Następnie ruchy te były odtwarzane w scenie wizualnej, dając mrówce poczucie, że naprawdę nawiguje. Dzięki temu możliwa była kontrola wizualnego i motorycznego doświadczenia mrówki podczas wykonywania przez nią zadań nawigacji. „Ta metoda otwiera drzwi do nieskończonej liczby potencjalnych manipulacji. Z reakcji mrówek możemy się bardzo wiele nauczyć, a lekcje te mogą posłużyć do testowania modeli mózgu. Wszystko to dzięki obserwacjom reakcji agenta w naszej symulacji, który jest poddawany tym samym manipulacjom, co prawdziwe mrówki”.
Opracowanie symulacji robotycznej odtwarzającej zachowania mrówek
Obecnie mamy niezwykle ciekawe czasy, jeśli chodzi o badania nad neurobiologią owadów. Nie dość, że dysponujemy bardzo precyzyjnymi opisami obwodów w owadzich mózgach, to niedawno udało się opracować kompletne schematy połączeń mózgowych u niektórych gatunków owadów, takich jak muszki owocowe. „Te schematy mogą stanowić podstawę modeli sieci neuronowych, nad którymi obecnie pracujemy, a które mają nam pomóc zrozumieć zdolności nawigacji u mrówek. Jednak nasze modele są z jednej strony ograniczone przez schematy połączeń, a z drugiej – przez zachowania mrówek. Agent wyposażony w model mózgu powinien naśladować rzeczywiste zachowanie mrówek w całym zakresie stworzonych przez nas warunków eksperymentalnych”, dodaje. Aby upewnić się, że modele zostały poprawnie opracowane, zespół wybrał najlepiej dopracowaną iterację i umieścił ją w małym robocie z kamerą o niskiej rozdzielczości. „Robot stał się niezwykle skutecznym nawigatorem, zdolnym do uczenia się i podążania trasami o długości kilkuset metrów, potrzebując do tego bardzo małej mocy obliczeniowej i niewielkiej przestrzeni pamięci”.
Sposób organizacji i przechowywania informacji w owadzim mózgu
Zespół dokonał kilku przełomowych odkryć dotyczących sposobu organizacji i przechowywania informacji w mózgu owada. Jak się okazało, kluczowe w kontekście tych procesów są samodzielnie wytwarzane oscylacje i informacje zwrotne z ruchu. Ale być może najważniejszą lekcją jest uświadomienie sobie, jak wiele jest jeszcze do odkrycia. „Zaledwie dotknęliśmy powierzchni tego złożonego problemu. Mrówki wciąż są znacznie lepszymi nawigatorami niż nasze modele – są bardziej elastyczne i lepiej się przystosowują. W dodatku cała ich inteligencja – wykraczająca poza to, co na razie rozumiemy – mieści się w tak małej ilości materii. To dla nas lekcja szacunku i pokory”, podsumowuje Wystrach.
Słowa kluczowe
EMERG-ANT, mrówki, nawigacja, symulacja robotyczna, mózgi owadów, modele neuronowe, furażowanie
