Muha može izgubiti miris i ipak se okrenuti nazad. U virtualnom mirisnom tragu pomogao joj je zapamćeni smjer

Muha može izgubiti miris i ipak se okrenuti natrag prema njemu

Muha je ostavila miris iza sebe.

Nastavila je hodati kroz čist zrak, ponekad desecima sekundi i stotinama virtualnih milimetara. Zatim se okrenula prema granici koju je prešla i ponovno pronašla miris. U tom trenutku sam miris više nije mogao pokazati put natrag.

To je centralno opažanje nove studije u Natureu o navigaciji vinskih mušica. Istraživači tvrde da su muhe koristile kompaktnu memoriju smjera: ne kartu cijelog mirisnog traga i ne memoriju prijeđene udaljenosti, nego zapamćeni pravac prema granici koju više nisu mogle osjetiti.

Rezultat je upečatljiv jer pokazuje koliko malo pohranjenih informacija može biti dovoljno. Također ga je lako preuveličati. Te muhe nisu slobodno letjele prirodnim krajolikom. Hodale su privezane na kugli nošenoj zrakom unutar strogo kontroliranog virtualnog svijeta. Studija podržava strategiju zasnovanu na vektoru u toj aparaturi; ne pokazuje da muhe grade mentalne karte, ne objašnjava svaki način na koji životinje slijede mirise niti identificira ćelije u kojima je memorija fizički pohranjena.

Nevidljivi koridor stvorio je softver

Mirisni trag je pokretno područje mirisa koje nosi zrak. Na otvorenom se trag savija, prekida i ponovno spaja kako se vjetar mijenja. Zbog toga je teško tačno znati što je životinja mirisala u svakom trenutku.

Istraživači su problem učinili kontroliranim pomoću virtualne stvarnosti sa zatvorenom petljom. Tijelo muhe bilo je privezano na mjestu iznad lagane kugle koja lebdi na zraku. Dok je muha hodala, kamera je mjerila rotaciju kugle oko 60 puta u sekundi. Softver je tu rotaciju pretvarao u virtualni dvodimenzionalni položaj i smjer.

Taj je smjer upravljao motoriziranom mlaznicom koja se mogla okretati kroz 360 stepeni. Kako je muha mijenjala virtualni smjer, mlaznica se pomicala oko nje kako bi vjetar ostao poravnat sa stabilnim smjerom u virtualnom svijetu. Istovremeno su regulatori masenog protoka mijenjali količinu čistog zraka ili mirisa jabučnog octa koji je dopirao do ticala, zavisno o virtualnom položaju muhe. Prelazak softverski definirane granice zato je uključivao ili isključivao miris i stvarao zamišljeni koridor širok 50 milimetara i dug jedan metar iako muha nikada nije napustila kuglu.

Aparatura je davala sinkronizirani zapis virtualnog položaja muhe, smjera, stanja mirisa i kontrola strujanja zraka u svakom trenutku. Iz tog su zapisa istraživači rekonstruirali putanje, označili svaki ulazak i izlazak i izmjerili koliko se direktno muha vraćala. Vjetar je davao vanjski smjerni orijentir; vlastito gibanje muhe određivalo je kada će susresti bilo koju stranu virtualne mirisne granice.

U glavnom eksperimentu s okomitim koridorom, 40 muha opetovano je ulazilo u miris, protupokretom izlazilo iz njega i vraćalo se na isti rub. „Okomit” je naziv rada za geometriju od 0 stepeni: duga os koridora bila je paralelna smjeru uz vjetar. Ne znači da je aparatura bila postavljena uspravno.

Autori taj obrazac nazivaju praćenjem ruba. Epizoda je jedna kontinuirana faza između prelazaka granice: unutrašnja epizoda traje od ulaska do izlaska, a vanjska od izlaska do povratka muhe. U 755 unutrašnjih epizoda posjet je prosječno trajao 4,9 sekundi. Tokom povrataka srednja udaljenost od granice bila je 10,4 milimetra. Manje od 4% od 793 epizode prešlo je cijeli put do suprotnog ruba koridora.

Ta zadnja dva broja opisuju epizode, a ne stotine nezavisnih muha. Razlika je važna jer jedna životinja može doprinijeti mnogim epizodama.

Povratci nisu bili samo fiksni refleks uz vjetar

Nekoliko eksperimenta testiralo je jednostavnija objašnjenja.

Istraživači su prvo promijenili što se događa duž koridora dok je muha hodala uz vjetar. Miris je mogao postajati jači prema virtualnom izvoru, ostati konstantan ili postajati slabiji. Muhe su u sva tri slučaja davale slične putanje. Jednostavno pravilo poput „nastavi tamo gdje miris postaje jači” zato ne može objasniti praćenje ruba u ovoj aparaturi.

Zatim su ublažili bočni rub koridora u Gaussov profil, gdje se koncentracija mijenjala postupno umjesto naglog uključivanja i isključivanja. Muhe su se skupljale uz bok na kojem se koncentracija mijenjala najbrže, a ne u centru gdje je miris bio najjači. Relevantan znak bila je dakle bočna promjena koja je označavala efektivnu granicu, a ne nužno povećanje prema izvoru duž koridora.

To ne znači da gradijenti koncentracije nikada nisu važni u prirodi. Znači da povećanje prema izvoru nije bilo potrebno za ovo ponašanje u testiranim uslovima.

Istraživači su promijenili i orijentaciju koridora. Odvojene grupe pratile su okomite koridore te koridore od 45 i 90 stepeni, a druga grupa susrela je koridor koji bi nakon izlazaka skočio postrance. Veličine grupa bile su 40, 21, 20 i 24 muhe. Njihove vanjske putanje mijenjale su se s geometrijom. Opće pravilo poput „uvijek se okreni uz vjetar” ne može objasniti tu fleksibilnost.

U ovoj postavi miris je do dvaju ticala stizao unutar otprilike dvije milisekunde. Uparivanje bilateralne optogenetske aktivacije s vjetrom moglo je reproducirati obrazac nalik praćenju ruba. Optogenetika koristi proteine osjetljive na svjetlost za mijenjanje aktivnosti odabranih ćelija. Ovdje rezultat sugerira da razlika u vremenu dolaska mirisa lijevo nasuprot desno nije bila nužna za ovo ponašanje. Ne čini bilateralnu uporedbu nevažnom za slobodno pokretne životinje u drugim mirisnim tragovima.

Vektor je manji od karte

Vektor je smjer zajedno s veličinom. Korisna pohranjena veličina ovdje bila je uglavnom smjerna: na koju se stranu muha treba okrenuti da dođe do granice mirisnog traga? Studija nije pronašla dokaze da je muha pohranila puni raspored traga ili vlastiti položaj unutar njega.

Autori su prvo napravili vještačke putanje preslagivanjem sastojaka stvarnog gibanja muha. Nasumično su izvlačili opažene dužine ravnog hoda i kutove skretanja te ih spajali. Neki od tih sintetskih hodača na kraju bi opet pogodili granicu mirisa, ali lutali su dalje i išli manje direktnim rutama od pravih muha. Čak ni dodavanje uobičajene sklonosti muha da se okreću uz vjetar nije reproduciralo kratke, usmjerene povratke. Stvarno ponašanje zato je sadržalo više smjerne informacije nego nasumična mješavina istih pokreta.

Istraživači su zatim izgradili model s dva režima: napusti granicu i vrati se na granicu. Ti režimi nisu bili oznake svakog trenutka unutar ili izvan mirisa. Bili su alternativna pravila upravljanja koja su se mogla mijenjati tokom kretanja muhe.

Svaki prelazak granice davao je modelu smjer koji treba zapamtiti. Pri izlasku ažurirao je smjer korišten tokom udaljavanja. Pri ulasku ažurirao je zaseban smjer povratka: u biti, „kada sam pronašao granicu, kretao sam se ovako”. Tokom kasnijeg povratka taj zapamćeni smjer pristranio je gibanje simulirane muhe natrag prema rubu.

Istraživači su prilagodili model putanjama kroz koridore od 0, 45 i 90 stepeni. U sažetoj uporedbi 72 stvarne muhe i 75 simulacija dale su slične statistike putanja. Kada se uklonio smjer povratka naučen pri ulasku, praćenje je postalo manje efikasno u svim orijentacijama koridora. To podržava korisnost memorije smjera pri ulasku; ne dokazuje da mozak muhe doslovno izvršava jednačine modela.

Dodatno iskustvo sa segmentom od 45 stepeni orijentiranim u suprotnom smjeru promijenilo je kasnije ponašanje u 10 muha, uporedno s 29 simulacija modela. Time je smjerno objašnjenje specifičnije od naknadnog opisa, iako i dalje ostaje interpretacija zasnovana na modelu.

Referenca smjera i trenutni cilj

Studija je zatim mjerila i ometala aktivnost u centralnom kompleksu mozga muhe, području uključenom u navigaciju.

EPG neuroni nose signal smjera: njihov obrazac aktivnosti prati smjer u kojem je muha okrenuta u odnosu na vanjski orijentir. Kalcijevim snimanjem, indirektnim optičkim očitanjem neuralne aktivnosti, istraživači su utvrdili da je faza EPG aktivnosti pratila smjer u odnosu na vjetar tokom praćenja ruba. Analiza je koristila 16 eksperimenta na 9 muha.

Kako bi inhibirali EPG neurone, istraživači su ih genetski konstruirali da izražavaju GtACR1, anionski kanal koji se uključuje zelenom svjetlošću. LED je tokom cijelog testnog eksperimenta ostao uključen, aktivirao kanal i potiskivao odabrane neurone; ista rasvjeta nije ometala genetske kontrolne muhe.

Kada su EPG neuroni tako inhibirani, 12 eksperimentalnih muha izvodilo je manje efikasne usmjerene povratke od 6 genetskih kontrolnih muha. Ograničeni zaključak jest da je referenca smjera koju nosi EPG aktivnost bila potrebna za efikasno praćenje ruba u testiranim uslovima. To nije dokaz da su EPG neuroni sami pohranili smjer granice.

FC2 neuroni pokazali su drukčiji odnos. Njihova populacijska aktivnost bila je povezana s trenutnim navigacijskim ciljem i u eksperimentu je prije skretanja pokazivala prema granici mirisnog traga. Snimanje je uključivalo 6 muha, a uporedbe utišavanja grupe od 9 do 14 muha zavisno o analizi. Utišavanje je oslabilo praćenje ruba.

To su konvergentni dokazi, a ne fotografirani lanac uzročnosti. EPG aktivnost pružala je nužnu referencu smjera. FC2 aktivnost bila je u skladu s ciljnim smjerom i bila je potrebna za efikasno ponašanje. Eksperimenti nisu locirali jedan memorijski „engram” niti dokazali da FC2 sinapse fizički pohranjuju smjer.

Kao gruba analogija na ljudskoj razini, zamislite da izađete iz uskog pojasa magle dok vam stabilan vjetar i dalje govori gdje je sjever. Kompas vam može reći kamo ste okrenuti, ali povratak prema magli zahtijeva i zapamćeni pravac prema njenom rubu. Poređenje trenutnog smjera s tim željenim pravcem govori vam kamo skrenuti. To je podjela rada koju ovdje sugeriraju EPG i FC2 signali. To je objašnjavajuća analogija, a ne dokaz da ljudi koriste iste ćelije ili algoritam.

Memorija je zavisila o djelovanju, a ne samo o vremenu mirisa

U eksperimentu reprodukcije muhe su dobile isti slijed vremena mirisa kao prije, ali vrijeme više nije bilo povezano s onime što su trenutno radile. Naučena smjerna pristranost slabila je kroz epizode reprodukcije. To podržava operantno ažuriranje povezano s djelovanjem: nije bila važna samo pasivna izloženost slijedu mirisa, nego odnos između mirisa i kretanja muhe.

Nazivnik se kroz te analize mijenja. Paneli proširenih podataka uključuju 8 ili 9 muha zavisno o uporedbi; serija uzastopnih epizoda koristi 8 muha; paneli putanja zahtijevaju najmanje 10 efikasnih ulazaka; a upareni paneli modela koriste 21 simuliranu putanju koja također zadovoljava taj prag ulazaka. To nije jedan objedinjeni uzorak od osam.

Nepravilniji mirisni trag bio je koristan, ali i dalje virtualan

Istraživači su također reproducirali ranije zabilježen, nepravilniji mirisni trag. Povećali su ga pet puta u prostoru i vremenu kako bi ga privezane muhe mogle dovoljno često susresti. Deset od 12 muha stiglo je unutar 50 virtualnih milimetara od izvora.

To nije deset muha koje su pronašle stvarni izvor na otvorenom. To je učinak u kontroliranoj reprodukciji prirodnolikog mirisnog traga.

Za svaku vrstu dinamičkog traga model je generirao 2.000 putanja. Poređenje skaliranog traga analizirala je 1.850 od tih 2.000 nakon zahtjeva za efikasnim ulaskom i isključivanja putanja koje su počele preblizu izvoru. Memorija je više pomagala blizu izvora, gdje su uzastopni susreti zadržavali koherentnu smjernu strukturu, a manje u turbulentnijem području dalje niz vjetar.

Ta je ograda dio rezultata. Kompaktan smjer može pomoći samo kada svijet ostaje dovoljno koherentan da prethodni susret govori nešto korisno o sljedećem.

Šta studija ne pokazuje

• Ne pokazuje da muha gradi potpunu prostornu kartu.
• Ne pokazuje slobodan let kroz neizmijenjeni prirodni mirisni trag.
• Ne utvrđuje da sva navigacija vođena mirisom koristi ovu strategiju.
• Ne pokazuje da su EPG ili FC2 neuroni isključivo fizičko mjesto pohrane memorije.
• Ne pretvara prilagođeni model u doslovni biološki algoritam muhe.
• Ne generalizira se direktno na ljudsku navigaciju.

Studija je najsnažnija tamo gdje je najspecifičnija. Kontrola sa zatvorenom petljom omogućila je istraživačima precizan pristup svakom susretu s mirisom. Promjene geometrije, reprodukcija, modeliranje, kalcijevo snimanje i utišavanje zatim su testirali različite dijelove jednog objašnjenja. Ali kohorte za ponašanje, snimanje i utišavanje bile su odvojene; veličine uzorka nisu unaprijed određene; prikupljanje i analiza podataka nisu bili randomizirani ni zaslijepljeni; a manje od 10% privezanih muha isključeno je zbog problema s prilagodbom, odgovorom ili praćenjem.

Ta ograničenja ne brišu fenomen. Ona ga definiraju.

Kratak sažetak

Privezane vinske mušice koje su hodale kroz virtualni mirisni koridor opetovano su se vraćale granici nakon što bi ostavile miris iza sebe. Promjene koncentracije i geometrije koridora, prilagođeni model prebacivanja, neuralno snimanje i optogenetsko utišavanje podržavaju objašnjenje prema kojem muha koristi kompaktan zapamćeni smjer, a ne potpunu kartu. EPG neuroni davali su nužnu referencu smjera, dok je FC2 aktivnost bila u skladu s trenutnim ciljnim smjerom. Rezultat je ograničen na kontrolirani eksperiment hodanja; ne identificira ćelijsko mjesto pohrane memorije niti pokazuje isti izračun u slobodnom prirodnom letu.

Provjera bez uljepšavanja

Šta rad pokazuje: U eksperimentu sa zatvorenom petljom i privezanom muhom, muhe su izvodile usmjerene povratke prema virtualnim mirisnim granicama koje više nisu mogle osjetiti. Više kontrola ponašanja, modeliranje i neuralne perturbacije podržavaju strategiju zasnovanu na vektoru.

Šta je izvedeno: Da ponašanje koristi kompaktnu smjernu memoriju i da populacijska aktivnost FC2 predstavlja trenutni navigacijski cilj. Sadržaj memorije nije direktno očitan.

Šta rad ne pokazuje: Potpunu mentalnu kartu, univerzalnu strategiju mirisa, slobodan let u prirodnom mirisnom tragu, jedno mjesto pohrane memorije ili ljudski analog.

Glavna ograničenja: Jedna vrsta i kontrolirana aparatura; različite kohorte muha i jedinice analize kroz eksperimente; indirektni kalcijevi signali; testovi nužnosti koji ne dokazuju dostatnost; te prirodnoliki mirisni trag koji je reproduciran i skaliran.

Koliko povjerenja treba imati opći čitalac? Visoko povjerenje da je fenomen usmjerenog povratka stvaran u ovoj aparaturi i da su centralno-kompleksna aktivnost smjera i cilja važne. Umjereno povjerenje u model kao kompaktno objašnjenje. Nisko povjerenje u tvrdnju koja ga neizmijenjena prenosi na otvoreni zrak ili ga naziva potpunom kartom.