Чтобы выжить в изменяющейся среде, животные и люди должны интегрировать сенсорную информацию и свой опыт, чтобы выбрать наиболее подходящее поведение для данной ситуации. Этот процесс в конечном итоге ограничен диапазоном возможных выходных характеристик двигателей, которые они могут производить.
Но для построения этих движений могут работать два совершенно разных сценария, и это вызвало определенные споры среди экспертов. Может случиться так, что мозг может производить любое произвольное движение, или же ему, возможно, придется выбирать из предопределенного набора типов движений. Понимание этих ограничений имеет решающее значение, поскольку они отражают работу нейронов мозга, контролирующих поведение.
До сих пор было сложно экспериментально разделить два возможных сценария моторного поведения – непрерывный диапазон движений в сравнении с дискретными компонентами движений, – поскольку некоторые виды поведения могут возникать только в очень специфических условиях, или различия движений могут отражать структуру стимула, а не его структуру. мощность двигателя.
Теперь, в новом исследовании, которое будет опубликовано 22 января 2018 года в журнале Current Biology, команда нейробиологов из Центра неизвестных Шампалимо в Лиссабоне, Португалия, проанализировала движения личинок рыбок данио с помощью романа. компьютерная программа, чтобы проверить, соответствует ли второй сценарий – последовательности двигательного поведения, построенные из "Лего," как бы – фактически объясняли поведение этих животных.
"Нашей целью было выяснить для одного вида, каков его репертуар движений и как более простые движения используются в последовательностях для создания более сложных," говорит Жоао Маркес, первый автор исследования.
Используя метод, разработанный в их лаборатории для отслеживания рыб с очень высоким пространственным и временным разрешением во время плавания, ученые записали миллионы отдельных движений тысяч отдельных рыб во время различного поведения, такого как кормление или взаимодействие друг с другом. "Измеряя поведение стольких животных и контекстов, мы можем быть уверены, что выбрали большинство возможных типов движений, которые эти животные могут выполнять," говорит Маркес.
Команда, возглавляемая Майклом Оргером, также разработала компьютерную систему, которая автоматически – и, следовательно, беспристрастно – измеряет поведение личинок рыбок данио во многих различных ситуациях. "Поскольку было неизвестно, сколько типов движений используют эти животные, и мы хотели сделать это суждение, не навязывая человеческих предубеждений, мы создали вычислительный алгоритм, который определяет типы движений и применил его к нашим данным," Маркес объясняет.
Таким образом, команда смогла выявить, что личинки рыбок данио используют 13 различных моделей движений, которые они комбинируют во время плавания, чтобы реагировать на различные ситуации. "Поразительная вещь," добавляет Маркес, "заключается в том, что беспристрастный вычислительный подход может использоваться для идентификации различных типов движений и выявления новых особенностей поведения, которые не очевидны при наблюдении человека. Подобно тому, как музыка состоит из нот, сложное поведение, такое как охота или социальное взаимодействие, формируется из небольшого набора типов движений, упорядоченных в определенных последовательностях."
Используя объективный вычислительный метод, который скорректировал предубеждения в зависимости от условий для оценки поведения, и путем измерения поведения в широком диапазоне ситуаций, команда обнаружила, что, по крайней мере, для личинок рыбок данио, поведение состоит из набора простых движений, которые объединены гибко в разных поведенческих контекстах.
Ученые также отмечают, что метод, который они создали для этого исследования, может быть адаптирован для использования на других видах животных, включая человека. "Это позволит определить, есть ли у других видов также базовые наборы движений, и, если это так, определить их репертуар движений," говорит Маркес.
Знание типов движений, выполняемых рыбками данио, будет иметь решающее значение для определения цепей и нейронных механизмов, лежащих в основе их поведения. "Знание набора основных движений этих животных позволяет нам разбить сложное поведение на простые для понимания последовательности простых движений," авторы говорят.
Изучение того, как работают эти двигательные системы, может помочь в разработке движущихся роботов. Кроме того, рыбок данио все чаще используют в качестве модельной системы для изучения механизмов неврологических заболеваний у людей. У них есть архитектура мозга, которая имеет много общих черт с людьми и другими позвоночными, и в то же время мозг в миллион раз меньше, поэтому его нейронные цепи гораздо более доступны экспериментально.
Понимание того, как выбираются и выполняются различные движения у рыбок данио и как этот процесс нарушается болезнью, может дать представление о том, как подобные процессы происходят у других животных или даже у людей. В конечном итоге это может помочь лучше понять и разработать методы лечения распространенных неврологических расстройств, возникающих в результате нарушений в этих двигательных системах.