Fluga getur misst lyktina og samt snúið aftur. Í sýndarslæmu hjálpaði munað stefna

Fluga getur misst lyktina en samt snúið aftur að henni

Flugan var komin út úr lyktinni.

Hún hélt áfram að ganga í hreinu lofti, stundum í tugi sekúndna og hundruð sýndarmillimetra. Síðan sneri hún í átt að mörkunum sem hún hafði farið yfir og fann lyktina aftur. Á því augnabliki gat lyktin sjálf ekki vísað leiðina til baka.

Þetta er meginathugunin í nýrri Nature-rannsókn á leiðsögn ávaxtaflugna. Rannsakendurnir halda því fram að flugurnar hafi notað þétt minni um stefnu: ekki kort af allri lyktarslæmunni og ekki minni um vegalengdina sem þær höfðu farið, heldur munaða stefnu að mörkum sem voru ekki lengur skynjanleg.

Niðurstaðan er sláandi vegna þess að hún sýnir hversu litlar geymdar upplýsingar geta nægt. Hún er líka auðveld að ýkja. Flugurnar flugu ekki frjálsar um náttúrulegt landslag. Þær gengu bundnar á loftstuddan bolta inni í mjög stýrðum sýndarheimi. Rannsóknin styður stefnuvektoraðferð í þessum búnaði; hún sýnir ekki að flugur byggi hugarkort, útskýrir ekki allar leiðir dýra við að fylgja lykt og auðkennir ekki frumurnar þar sem minnið er líkamlega geymt.

Ósýnilegi gangurinn var búinn til með hugbúnaði

Lyktarslæma er hreyfanlegt svæði af lykt sem loft flytur. Utandyra beygist slæma, rofnar og tengist aftur þegar vindurinn breytist. Þess vegna er erfitt að vita nákvæmlega hvað dýr lyktaði á hverju augnabliki.

Rannsakendurnir gerðu vandann stjórnanlegan með lokaðri lykkju sýndarveruleika. Líkami flugunnar var festur á sínum stað yfir léttum bolta sem flaut á lofti. Þegar flugan gekk mældi myndavél snúning boltans um 60 sinnum á sekúndu. Hugbúnaður breytti snúningnum í sýndarstöðu í tveimur víddum og stefnu.

Stefnan stýrði vélknúnum stút sem gat snúist um 360 gráður. Þegar flugan breytti sýndarstefnu sinni færðist stúturinn í kringum hana til að halda vindinum samstilltum við fasta átt í sýndarheimi flugunnar. Á sama tíma breyttu massaflæðisstýringar magni hreins lofts eða eplaediklyktar sem barst að fálmurunum eftir sýndarstöðu flugunnar. Að fara yfir hugbúnaðarskilgreind mörk kveikti því eða slökkti á lyktinni og bjó til ímyndaðan gang, 50 millimetra breiðan og einn metra langan, þótt flugan færi aldrei af boltanum.

Búnaðurinn framleiddi samstillta skrá yfir sýndarstöðu flugunnar, stefnu, lyktarástand og loftflæðisstýringar á hverju tímaskrefi. Úr henni endurgerðu rannsakendurnir ferla, merktu hverja inn- og útgöngu og mældu hversu beint flugan sneri aftur. Vindurinn gaf ytri stefnuviðmið; eigin hreyfing flugunnar réð hvenær hún mætti hvorri hlið sýndarlyktarmarkanna.

Í aðaltilrauninni með lóðrétta ganginn fóru 40 flugur endurtekið inn í lyktina, sneru út úr henni og sneru síðan aftur að sömu brún. „Lóðrétt“ er heiti greinarinnar á 0 gráðu rúmfræðinni: langás gangsins lá samsíða uppvindáttinni. Það þýðir ekki að búnaðurinn hafi staðið lóðrétt.

Höfundarnir kalla mynstrið brúnarfylgni (edge tracking). Lotuhluti (bout) er eitt samfellt tímabil milli markaskurða: lotuhluti inni fer frá innkomu til útgöngu og lotuhluti úti frá útgöngu þar til flugan snýr aftur. Yfir 755 lotuhluta inni var heimsókn að meðaltali 4,9 sekúndur. Í endurkomum var meðalfjarlægð frá mörkunum 10,4 millimetrar. Færri en 4% af 793 lotuhlutum fóru alla leið yfir að gagnstæðri brún gangsins.

Síðustu tvær tölurnar lýsa lotuhlutum, ekki hundruðum óháðra flugna. Það skiptir máli því eitt dýr getur lagt til marga lotuhluta.

Endurkomurnar voru ekki bara föst uppvind-viðbrögð

Nokkrar tilraunir prófuðu einfaldari skýringar.

Rannsakendurnir breyttu fyrst því sem gerðist meðfram ganginum þegar fluga gekk uppvind. Lyktin gat orðið sterkari í átt að sýndaruppsprettunni, haldist föst eða veikst. Flugurnar mynduðu svipaðar leiðir í öllum þremur tilfellum. Einföld regla á borð við „haltu áfram þar sem lyktin verður sterkari“ getur því ekki útskýrt brúnarfylgni í þessum búnaði.

Síðan mýktu þeir hliðarbrún gangsins í Gauss-feril þar sem styrkur breyttist smám saman í stað skyndilegs rofa. Flugurnar söfnuðust við hliðina þar sem styrkurinn breyttist hraðast, ekki í miðjunni þar sem lyktin var sterkust. Mikilvæga vísbendingin var því hliðarbreytingin sem markaði virk mörk, ekki nauðsynleg styrking í átt að uppsprettunni eftir ganginum.

Það þýðir ekki að styrkhallar skipti aldrei máli í náttúrunni. Það þýðir að aukning í átt að uppsprettu var ekki nauðsynleg fyrir þessa hegðun við prófuðu aðstæðurnar.

Rannsakendurnir breyttu einnig stefnu gangsins. Aðskildir hópar fylgdu lóðréttum, 45 gráðu og 90 gráðu göngum og annar hópur mætti gangi sem stökk til hliðar eftir útgöngu. Hópstærðir voru 40, 21, 20 og 24 flugur. Leiðir þeirra utan lyktarinnar breyttust með rúmfræðinni. Almenn regla eins og „snúðu alltaf uppvind“ getur ekki útskýrt þann sveigjanleika.

Í þessari uppsetningu barst lykt að báðum fálmurum innan um tveggja millisekúndna. Tvíhliða ljósörvun parað við vind gat endurskapað mynstur sem líktist brúnarfylgni. Ljósstýring erfða (optogenetics) notar ljósnæm prótein til að breyta virkni valinna frumna. Hér bendir niðurstaðan til að vinstri-á-móti-hægri munur á komu lyktar hafi ekki verið nauðsynlegur fyrir þessa hegðun. Hún gerir tvíhliða samanburð ekki óviðkomandi fyrir frjáls dýr í öðrum slæmum.

Vektor er minni en kort

Vektor er stefna ásamt stærð. Gagnlega geymda stærðin hér var aðallega stefnuleg: í hvaða átt ætti flugan að snúa til að ná mörkum slæmunnar? Rannsóknin fann ekki gögn fyrir því að flugan geymdi fulla uppsetningu slæmunnar eða eigin staðsetningu innan hennar.

Höfundarnir bjuggu fyrst til gervileiðir með því að rugla saman þáttum raunverulegrar fluguhreyfingar. Þeir drógu mældar hlaupalengdir og snúningshorn af handahófi og límdu saman. Sumir þessara gervigangenda hittu að lokum lyktarmörkin aftur en ráfuðu lengra og fóru óbeinni leiðir en raunverulegar flugur. Jafnvel þegar venjuleg tilhneiging flugna til að snúa uppvind var bætt við endursköpuðust ekki stuttu, markvissu endurkomurnar. Raunverulega hegðunin innihélt því meiri stefnu en tilviljanakennd endurröðun sömu hreyfinga.

Rannsakendurnir byggðu næst líkan með tveimur ástandum: yfirgefa mörkin og snúa aftur að mörkunum. Þessi ástand voru ekki merki fyrir hvert augnablik inni eða úti í lyktinni, heldur tvær stýrisreglur sem gátu skipt um eftir því sem flugan hreyfðist.

Hver markaskurður gaf líkaninu stefnu til að muna. Við útgöngu uppfærði það stefnu sem notuð var við að yfirgefa mörkin. Við innkomu uppfærði það aðskilda endurkomustefnu: í raun „þegar ég fann mörkin var ég að hreyfast þessa leið“. Í síðari endurkomu dró sú munaða stefna hermdu fluguna aftur að brúninni.

Rannsakendurnir pössuðu líkanið við ferla í 0, 45 og 90 gráðu göngum. Í samantektarsamanburðinum gáfu 72 raunverulegar flugur og 75 hermdir ferlar svipaða leiðartölfræði. Þegar endurkomustefnan sem lærðist við innkomu var fjarlægð varð fylgni óhagkvæmari í öllum gangastefnum. Það styður gagnsemi minnis um innkomustefnu; það sannar ekki að heili flugunnar keyri bókstaflega jöfnur líkansins.

Aukareynsla með 45 gráðu hluta sem stefndi í gagnstæða átt hliðraði seinni hegðun í 10 flugum, samhliða 29 líkanhermunum. Það gerir stefnuskýringuna sértækari en eftir-á-lýsingu, en hún er áfram líkanbundin túlkun.

Stefnaviðmið og núverandi markmið

Rannsóknin mældi og raskaði síðan virkni í miðfléttu (central complex) flugunnar, heilasvæði sem tekur þátt í leiðsögn.

EPG-taugafrumur bera stefnumerki: virknimynstur þeirra fylgir þeirri átt sem flugan snýr miðað við ytri vísbendingu. Með kalsíummyndgreiningu, óbeinni ljósfræðilegri mælingu á taugavirkni, komust rannsakendurnir að því að fasi EPG-virkni fylgdi stefnu miðað við vind meðan flugan fylgdi brún. Þessi greining notaði 16 tilraunir úr 9 flugum.

Til að hamla EPG-taugafrumum létu rannsakendurnir þær tjá GtACR1, anjónagöng sem virkjast með grænu ljósi. LED-ljós var kveikt allan próftímann, virkjaði göngin og bældi valdar frumur; sama lýsing skerti ekki erfðaviðmiðunarflugur.

Þegar EPG-taugafrumur voru bældar á þennan hátt gerðu 12 tilraunaflugur síður árangursríkar markvissar endurkomur en 6 erfðaviðmiðunarflugur. Afmörkuð niðurstaðan er að stefnaviðmiðið sem EPG-virkni bar hafi verið nauðsynlegt fyrir árangursríka brúnarfylgni við prófuðu aðstæðurnar. Þetta er ekki sönnun þess að EPG-taugafrumur einar geymi stefnu markanna.

FC2-taugafrumur sýndu annað samband. Þýðisvirkni þeirra tengdist núverandi leiðsögumarkmiði og vísaði að slæmumörkunum fyrir beygjur í prófinu. Myndgreining notaði 6 flugur og bælingarsamanburðir hópa með 9 til 14 flugur eftir greiningu. Bæling skerti brúnarfylgni.

Þetta eru samleit gögn, ekki ljósmynduð orsakakeðja. EPG-virkni gaf nauðsynlegt stefnaviðmið. FC2-virkni samræmdist markstefnu og var nauðsynleg fyrir árangursríka hegðun. Tilraunirnar fundu ekki eitt „minnisengram“ og sönnuðu ekki að FC2-taugamót geymdu stefnuna líkamlega.

Sem grófa hliðstæðu á mannlegum kvarða má ímynda sér að stíga út úr mjóu þokubelti meðan stöðugur vindur segir enn hvar norður er. Áttaviti getur sagt í hvaða átt þú snýrð, en til að fara aftur í þokuna þarf líka munaða stefnu að brún hennar. Með því að bera núverandi stefnu saman við þá óskaða má ákvarða hvernig á að beygja. Þetta er verkaskiptingin sem EPG- og FC2-merkin benda til hér. Þetta er skýringarhliðstæða, ekki gögn um að menn noti sömu frumur eða reiknirit.

Minnið var háð aðgerð, ekki aðeins tímasetningu lyktar

Í endurspilunartilraun fengu flugur sömu röð lyktartíma og áður, en tímasetningin var aftengd því sem þær voru að gera hverju sinni. Lærða stefnuviðmiðið veiktist yfir endurspilunarlotur. Það styður virka, aðgerðatengda (operant) uppfærslu: það sem skipti máli var ekki aðeins óvirk útsetning fyrir lyktarröð, heldur samband lyktarinnar við hreyfingu flugunnar.

Nefnarinn breytist milli þessara greininga. Extended Data-spjöld innihalda 8 eða 9 flugur eftir samanburði; raðbundna lotuserían notar 8 flugur; ferilspjöld krefjast að minnsta kosti 10 virkra innkoma; og pöruðu líkanspjöldin nota 21 hermdan feril sem einnig uppfyllir þann innkomuþröskuld. Þetta er ekki eitt sameinað átta-flugna úrtak.

Óreglulegri slæma var gagnleg, en enn sýndarheimur

Rannsakendurnir endurspiluðu einnig áður skráða, óreglulegri slæmu. Þeir stækkuðu hana fimmfalt í rúmi og tíma svo bundnar flugur gætu hitt hana nógu oft. Tíu af 12 flugum komust innan 50 sýndarmillimetra frá uppsprettunni.

Það eru ekki tíu flugur sem finna raunverulega uppsprettu í opnu lofti. Þetta er frammistaða í stýrðri endurspilun náttúrulegrar slæmu.

Fyrir hverja tegund kvikrar slæmu framleiddi líkanið 2.000 ferla. Samanburðurinn á stækkuðu slæmunni greindi 1.850 af þessum 2.000 eftir að krafist var virkrar innkomu og ferlar sem byrjuðu of nálægt uppsprettu útilokaðir. Minni hjálpaði meira nálægt uppsprettunni, þar sem samfelldar lyktarmætur héldu samræmdri stefnuuppbyggingu, og minna á ókyrrara svæði lengra niðurvind.

Fyrirvarinn er hluti niðurstöðunnar. Þétt stefnuminni getur aðeins hjálpað þegar heimurinn helst nægilega samkvæmur til að fyrri mæting segi eitthvað gagnlegt um þá næstu.

Hvað rannsóknin sýnir ekki

• Hún sýnir ekki flugu byggja fullkomið rúmkort.
• Hún sýnir ekki frjálst flug í óbreyttri náttúrulegri slæmu.
• Hún staðfestir ekki að öll lyktarstýrð leiðsögn noti þessa aðferð.
• Hún sýnir ekki að EPG- eða FC2-taugafrumur séu eini líkamlegi geymslustaður minnisins.
• Hún breytir ekki passaða líkaninu í bókstaflegt líffræðilegt reiknirit flugunnar.
• Hún alhæfir ekki beint yfir á mannlega leiðsögn.

Rannsóknin er sterkust þar sem hún er sértækust. Lokuð lykkja gaf rannsakendum nákvæma stjórn á hverri lyktarmætingu. Breytingar á rúmfræði, endurspilun, líkanagerð, kalsíummyndgreining og bæling prófuðu síðan ólíka hluta einnar skýringar. En hegðunar-, myndgreiningar- og bælingarhópar voru aðskildir; úrtaksstærðir voru ekki fyrirfram ákveðnar; gagnasöfnun og greining voru hvorki slembiraðaðar né blindar; og færri en 10% bundinna flugna voru útilokaðar vegna aðlögunar-, svörunar- eða rakningarvandamála.

Þessi mörk eyða ekki fyrirbærinu. Þau skilgreina það.

Í stuttu máli

Bundnar ávaxtaflugur sem gengu um sýndarlyktargang sneru endurtekið aftur að mörkum eftir að þær höfðu skilið lyktina eftir. Breytingar á styrk og rúmfræði gangs, passað skiptimódel, taugamyndgreining og ljósstýrð bæling styðja skýringu þar sem flugan notar þétt munað stefnumerki fremur en fullkomið kort. EPG-taugafrumur gáfu nauðsynlegt stefnaviðmið en FC2-virkni samræmdist núverandi markstefnu. Niðurstaðan er bundin við stýrt göngupróf; hún auðkennir ekki frumugeymslustað minnisins og sýnir ekki sömu útreikninga í frjálsu náttúrulegu flugi.

Raunsætt mat

Það sem greinin sýnir: Í lokuðu, bundnu prófi gerðu flugur markvissar endurkomur að sýndarlyktarmörkum sem þær gátu ekki lengur skynjað. Margar hegðunarstýringar, líkanagerð og taugatruflanir styðja vektoraðferð.

Það sem er ályktað: Að hegðunin noti þétt stefnuminni og að FC2-þýðisvirkni tákni núverandi leiðsögumarkmið. Minnisinnihaldið var ekki lesið beint.

Það sem hún sýnir ekki: Fullkomið hugarkort, algilda lyktarleiðsöguaðferð, frjálsa frammistöðu í náttúrulegri slæmu, einn geymslustað minnis eða mannlega hliðstæðu.

Helstu takmarkanir: Ein tegund og stýrður búnaður; ólíkir fluguhópar og greiningareiningar milli tilrauna; óbein kalsíummerki; nauðsynjapróf sem sanna ekki nægjanleika; og náttúrulegri slæma sem var endurspiluð og stækkuð.

Hversu mikið traust ætti almennur lesandi að hafa? Mikið traust á því að markvissa endurkomufyrirbærið sé raunverulegt í þessum búnaði og að stefnutengd og markmiðstengd virkni miðfléttunnar skipti máli. Hóflegt traust á líkaninu sem þéttri skýringu. Lítið traust á fullyrðingum sem flytja það óbreytt út í opið loft eða kalla það fullkomið kort.