Moucha může ztratit pach a přesto se vrátit. Ve virtuálním oblaku jí pomohl zapamatovaný směr

Moucha může ztratit pach a přesto se k němu obrátit zpět

Moucha pach nechala za sebou.

Pokračovala chůzí čistým vzduchem, někdy desítky sekund a stovky virtuálních milimetrů. Potom se otočila k hranici, kterou předtím překročila, a pach znovu našla. V tu chvíli už jí samotná vůně nemohla ukázat cestu zpět.

To je ústřední pozorování nové studie v Nature o navigaci octomilek. Výzkumníci tvrdí, že mouchy používaly kompaktní paměť směru: nikoli mapu celého pachového oblaku ani vzpomínku na uraženou vzdálenost, ale zapamatovaný směr k hranici, kterou už nebylo možné vnímat.

Výsledek je pozoruhodný, protože ukazuje, jak málo uložených informací může stačit. Zároveň se snadno přehání. Tyto mouchy volně nelétaly přírodní krajinou. Chodily připoutané na kouli nadnášené vzduchem uvnitř přísně kontrolovaného virtuálního světa. Studie podporuje vektorovou strategii v tomto zařízení; neukazuje, že mouchy vytvářejí mentální mapy, nevysvětluje všechny způsoby, jimiž zvířata sledují pachy, ani neurčuje buňky, v nichž je paměť fyzicky uložena.

Neviditelnou chodbu vytvořil software

Pachový oblak je pohybující se oblast pachu nesená vzduchem. Venku se s měnícím se větrem ohýbá, rozpadá a znovu spojuje. Proto je těžké přesně vědět, co zvíře v každém okamžiku cítilo.

Výzkumníci problém zpřístupnili kontrole pomocí virtuální reality v uzavřené smyčce. Tělo mouchy bylo připoutáno na místě nad lehkou koulí plovoucí na vzduchu. Když moucha chodila, kamera měřila rotaci koule přibližně 60krát za sekundu. Software ji převáděl na virtuální dvourozměrnou polohu a směr pohledu.

Tento směr řídil motorizovanou trysku, která se mohla otáčet o 360 stupňů. Když moucha měnila virtuální směr, tryska se kolem ní přesouvala tak, aby vítr zůstal v jejím virtuálním světě zarovnaný se stabilním směrem. Současně regulátory hmotnostního průtoku měnily podle virtuální polohy mouchy množství čistého vzduchu nebo pachu jablečného octa dopadajícího na tykadla. Překročení softwarově definované hranice tak pach zapnulo či vypnulo a vytvořilo fiktivní chodbu širokou 50 milimetrů a dlouhou jeden metr, přestože moucha nikdy neopustila kouli.

Zařízení vytvářelo synchronizovaný záznam virtuální polohy, směru, stavu pachu a řízení proudění vzduchu v každém časovém bodě. Z něj výzkumníci rekonstruovali trajektorie, označili každý vstup a výstup a měřili přímost návratů. Vítr poskytoval vnější směrovou informaci; vlastní pohyb mouchy určoval, kdy narazila na jednu či druhou stranu virtuální pachové hranice.

V hlavním experimentu s vertikální chodbou 40 much opakovaně vstupovalo do pachu, protipohybem jej opouštělo a vracelo se ke stejné hraně. „Vertikální“ je označení geometrie 0 stupňů v článku: dlouhá osa chodby vedla rovnoběžně se směrem proti větru. Neznamená to, že zařízení stálo svisle.

Autoři tento vzorec nazývají sledování hrany. Úsek je jedna souvislá epizoda mezi překročeními hranice: vnitřní úsek trvá od vstupu do výstupu a vnější od výstupu do návratu. V 755 vnitřních úsecích trvala návštěva v průměru 4,9 sekundy. Během návratů byla průměrná vzdálenost od hranice 10,4 milimetru. Méně než 4 % ze 793 úseků překročila celou chodbu až k opačnému okraji.

Poslední dvě čísla popisují úseky, nikoli stovky nezávislých much. Rozlišení je důležité, protože jedno zvíře může přispět mnoha úseky.

Návraty nebyly jen pevným reflexem proti větru

Několik experimentů testovalo jednodušší vysvětlení.

Výzkumníci nejprve změnili, co se děje podél chodby, když moucha kráčí proti větru. Pach mohl směrem k virtuálnímu zdroji sílit, zůstat stálý nebo slábnout. Mouchy vytvářely ve všech třech případech podobné dráhy. Jednoduché pravidlo typu „pokračuj tam, kde pach sílí“ proto sledování hrany v tomto zařízení nevysvětluje.

Poté změkčili boční okraj chodby na Gaussův profil, kde se koncentrace měnila postupně namísto ostrého přepnutí. Mouchy se shromažďovaly poblíž boku, kde se koncentrace měnila nejrychleji, nikoli uprostřed, kde byl pach nejsilnější. Relevantní informací tedy byla příčná změna označující účinnou hranici, nikoli nutný nárůst koncentrace směrem ke zdroji podél chodby.

To neznamená, že koncentrační gradienty v přírodě nikdy nehrají roli. Znamená to, že za testovaných podmínek nebyl pro toto chování nutný nárůst směrem ke zdroji.

Výzkumníci změnili také orientaci chodby. Samostatné skupiny sledovaly chodby orientované na 0, 45 a 90 stupňů a další skupina narazila na chodbu, která po výstupu uskočila do strany. Skupiny obsahovaly 40, 21, 20 a 24 much. Jejich vnější dráhy se měnily s geometrií. Obecné pravidlo typu „vždy se otoč proti větru“ tuto pružnost nevysvětluje.

V tomto zařízení dorazil pach k oběma tykadlům v rozmezí přibližně dvou milisekund. Spojení bilaterální optogenetické aktivace s větrem dokázalo napodobit vzorec podobný sledování hrany. Optogenetika používá světločivné bílkoviny ke změně vybraných buněk. Výsledek zde naznačuje, že rozdíl v době příchodu pachu mezi levou a pravou stranou nebyl pro toto chování nutný. Nečiní bilaterální porovnávání nedůležitým u volně se pohybujících zvířat v jiných oblacích.

Vektor je menší než mapa

Vektor je směr společně s velikostí. Užitečná uložená veličina zde byla především směrová: kterým směrem se má moucha otočit, aby dosáhla hranice pachového oblaku? Studie nenašla důkaz, že moucha ukládala úplné uspořádání oblaku nebo svou vlastní polohu uvnitř něj.

Autoři nejprve vytvořili umělé dráhy promícháním složek skutečného pohybu much. Náhodně vybírali pozorované délky běhu a úhly otočení a spojovali je. Někteří syntetičtí chodci nakonec na pachovou hranici znovu narazili, ale bloudili dále a volili méně přímé trasy než skutečné mouchy. Ani přidání běžné tendence much otáčet se proti větru nereprodukovalo krátké směrované návraty. Skutečné chování tedy obsahovalo více směrovosti než náhodný remix stejných pohybů.

Výzkumníci poté vytvořili model se dvěma režimy: opuštění hranice a návrat k hranici. Tyto režimy nebyly popisky každého okamžiku uvnitř nebo vně pachu. Byla to alternativní pravidla řízení, která se mohla při pohybu mouchy přepínat.

Každé překročení hranice dalo modelu směr k zapamatování. Při výstupu aktualizoval směr používaný během odcházení. Při vstupu aktualizoval samostatný směr návratu: v podstatě „když jsem našel hranici, pohyboval jsem se tímto směrem“. Během pozdějšího návratu tento zapamatovaný směr vychyloval pohyb simulované mouchy zpět k okraji.

Výzkumníci model proložili trajektoriemi z chodeb orientovaných na 0, 45 a 90 stupňů. V souhrnném porovnání vytvářelo 72 skutečných much a 75 simulací podobné statistiky drah. Když byl odstraněn směr návratu naučený při vstupu, sledování bylo ve všech orientacích méně účinné. To podporuje užitečnost paměti směru vstupu; nedokazuje, že mozek mouchy doslova počítá rovnice modelu.

Další zkušenost s opačně orientovaným 45stupňovým úsekem posunula pozdější chování u 10 much a odpovídala 29 modelovým simulacím. Směrové vysvětlení je tím specifičtější než dodatečný popis, stále však zůstává interpretací založenou na modelu.

Referenční směr a aktuální cíl

Studie dále měřila a narušovala aktivitu v centrálním komplexu mouchy, oblasti mozku zapojené do navigace.

Neurony EPG nesou signál orientace: jejich vzorec aktivity sleduje směr, kterým je moucha otočena vzhledem k vnějšímu podnětu. Pomocí vápníkového zobrazování, nepřímého optického odečtu nervové aktivity, výzkumníci zjistili, že fáze aktivity EPG během sledování hrany odpovídala orientaci vzhledem k větru. Analýza použila 16 pokusů u 9 much.

K inhibici neuronů EPG je výzkumníci geneticky upravili tak, aby exprimovaly GtACR1, aniontový kanál aktivovaný zeleným světlem. LED zůstala během testovacího pokusu zapnutá, kanál aktivovala a vybrané neurony potlačila; stejné osvětlení nepoškodilo kontrolní mouchy s jinou genetikou.

Při této inhibici neuronů EPG provádělo 12 experimentálních much méně účinné směrované návraty než 6 genetických kontrol. Ohraničeným závěrem je, že referenční orientace nesená aktivitou EPG byla za testovaných podmínek nutná pro účinné sledování hrany. Není to důkaz, že neurony EPG samy ukládaly směr hranice.

Neurony FC2 vykazovaly jiný vztah. Aktivita jejich populace byla spojena s aktuálním navigačním cílem a před otočením v testu mířila k hranici pachového oblaku. Zobrazování použilo 6 much a porovnání po umlčení skupiny o 9 až 14 mouchách podle analýzy. Umlčení sledování hrany zhoršilo.

Jde o sbíhající se důkazy, ne vyfotografovaný řetězec příčin. Aktivita EPG poskytovala nezbytnou orientační referenci. Aktivita FC2 odpovídala cílovému směru a byla nutná pro účinné chování. Experimenty nenalezly jediný paměťový „engram“ ani neprokázaly, že směr fyzicky ukládaly synapse FC2.

Jako hrubou analogii v lidském měřítku si představte, že vystoupíte z úzkého pásu mlhy, zatímco stálý vítr vám dál říká, kde je sever. Kompas vám sdělí, kterým směrem stojíte, ale návrat do mlhy vyžaduje také zapamatovaný směr k jejímu okraji. Porovnání aktuální orientace s požadovaným směrem určuje, kam se otočit. Takové rozdělení práce studie naznačuje pro signály EPG a FC2. Je to vysvětlující analogie, nikoli důkaz, že lidé používají stejné buňky nebo algoritmus.

Paměť závisela na jednání, ne pouze na časování pachu

V experimentu s přehráváním dostávaly mouchy stejnou časovou posloupnost pachu jako předtím, její načasování však nebylo spojeno s jejich aktuálním chováním. Naučené směrové vychýlení v průběhu přehrávaných úseků zesláblo. To podporuje operantní, na jednání navázanou aktualizaci: nezáleželo jen na pasivním vystavení posloupnosti pachu, ale na vztahu mezi pachem a pohybem mouchy.

Jmenovatel se mezi analýzami mění. Panely rozšířených dat zahrnují 8 nebo 9 much podle porovnání; série po sobě jdoucích úseků používá 8 much; panely trajektorií vyžadují nejméně 10 účinných vstupů; a párové modelové panely používají 21 simulovaných trajektorií, které rovněž splňují tento práh vstupů. Nejde o jeden sloučený vzorek osmi jedinců.

Nepravidelnější oblak byl užitečný, ale stále virtuální

Výzkumníci rovněž přehráli dříve zaznamenaný, nepravidelnější pachový oblak. Pětkrát jej zvětšili v prostoru i čase, aby se s ním připoutané mouchy mohly setkávat dostatečně často. Deset z 12 much se dostalo do vzdálenosti 50 virtuálních milimetrů od jeho zdroje.

Nejde o deset much, které našly skutečný zdroj ve volném vzduchu. Jde o výkon v kontrolovaném přehrání přírodněji působícího oblaku.

Pro každý typ dynamického oblaku model vytvořil 2 000 trajektorií. Porovnání škálovaného oblaku analyzovalo 1 850 z těchto 2 000 po požadavku účinného vstupu a vyloučení trajektorií začínajících příliš blízko zdroje. Paměť pomáhala více u zdroje, kde si po sobě jdoucí setkání zachovávala soudržnou směrovou strukturu, a méně v turbulentnější oblasti dále po větru.

Tato výhrada je součástí výsledku. Kompaktní směr může pomoci jen tehdy, když svět zůstává dostatečně soudržný, aby předchozí setkání vypovídalo něco užitečného o následujícím.

Co studie neukazuje

• Neukazuje, že moucha vytváří úplnou prostorovou mapu.
• Neukazuje volný let neupraveným přírodním pachovým oblakem.
• Neprokazuje, že tuto strategii používá veškerá navigace podle pachu.
• Neukazuje, že neurony EPG nebo FC2 jsou výhradním fyzickým místem uložení paměti.
• Nečiní z proloženého modelu doslovný biologický algoritmus mouchy.
• Nelze ji přímo zobecnit na lidskou navigaci.

Studie je nejsilnější tam, kde je nejkonkrétnější. Řízení v uzavřené smyčce dalo výzkumníkům přesný přístup ke každému setkání s pachem. Změny geometrie, přehrávání, modelování, vápníkové zobrazování a umlčení poté testovaly různé části jednoho vysvětlení. Behaviorální, zobrazovací a umlčovací kohorty však byly oddělené; velikosti vzorků nebyly předem stanoveny; sběr a analýza dat nebyly randomizovány ani zaslepeny; a méně než 10 % připoutaných much bylo vyloučeno kvůli problémům s aklimatizací, reakcí či sledováním.

Tato omezení jev nemažou. Vymezují jej.

Stručné shrnutí

Připoutané octomilky chodící virtuální pachovou chodbou se po opuštění pachu opakovaně vracely k hranici. Změny koncentrace a geometrie chodby, proložený přepínací model, nervové zobrazování a optogenetické umlčení podporují vysvětlení, podle něhož moucha používá kompaktní zapamatovaný směr, nikoli úplnou mapu. Neurony EPG poskytovaly nezbytnou orientační referenci, zatímco aktivita FC2 odpovídala aktuálnímu cílovému směru. Výsledek je omezen na kontrolovaný test chůze; neurčuje buněčné místo uložení paměti ani neukazuje stejný výpočet při volném letu v přírodě.

Kontrola bez příkras

Co článek ukazuje: V připoutaném testu s uzavřenou smyčkou prováděly mouchy směrované návraty k virtuálním pachovým hranicím, které už nemohly vnímat. Více behaviorálních kontrol, modelování a nervových perturbací podporuje vektorovou strategii.

Co je odvozeno: Že chování používá kompaktní směrovou paměť a že aktivita populace FC2 představuje aktuální navigační cíl. Obsah paměti nebyl přímo přečten.

Co článek neukazuje: Úplnou mentální mapu, univerzální čichovou strategii, výkon při volném letu v přírodním oblaku, jediné místo uložení paměti ani lidskou obdobu.

Hlavní omezení: Jeden druh a kontrolované zařízení; rozdílné kohorty much a jednotky analýzy mezi experimenty; nepřímé vápníkové signály; testy nutnosti, které neprokazují dostatečnost; a přírodně působící oblak, který byl přehrán a škálován.

Jak velkou důvěru by měl mít běžný čtenář? Vysokou důvěru, že jev směrovaného návratu je v tomto zařízení skutečný a že záleží na aktivitě centrálního komplexu spojené s orientací a cílem. Střední důvěru v model jako kompaktní vysvětlení. Nízkou důvěru v tvrzení, které jej beze změny rozšiřuje do volného prostoru nebo jej nazývá úplnou mapou.