Что заморозка муравьев может рассказать о том, как работает их память

Мы, люди, являемся универсальными и опытными навигаторами, но у насекомых навигационные навыки могут быть еще лучше. Для них это буквально вопрос жизни и смерти - вот почему мы решили заморозить некоторых муравьев и жуков (не волнуйтесь, они выжили), чтобы узнать больше о том, как они запоминают дорогу домой после прогулки.

Их навыки впечатляют. Муравьи, живущие в солончаках Сахары, могут перемещаться на расстояние более километра, постоянно зная свое местоположение относительно гнезда. В этой местности нет никаких ориентиров или других особенностей, которые помогли бы муравьям определить, где они находятся.

Вместо этого, подобно великим исследователям, таким как Христофор Колумб и Фердинанд Магеллан, муравьи используют положение Солнца на небе в качестве компаса и собственное движение для оценки расстояния. Если вы знаете направление и расстояние, на которое вы отошли от дома, вы можете провести линию, указывающую на него. Это позволяет муравьям безопасно возвращаться домой после поиска пищи.

Чтобы представить себе, что делают эти удивительные насекомые, подумайте о том, что 1 километр - это примерно в 100 000 раз больше длины тела муравья. Это равносильно тому, как если бы человек прошел пешком от Нью-Йорка до Вашингтона и обратно, постоянно зная правильное направление и расстояние, которое ему нужно пройти, не пользуясь ориентирами.

Мы хотели узнать больше о том, как они это делают.

Внутри мозга насекомого

Благодаря последним достижениям в области микроскопии и генетики ученые смогли заставить различные клетки мозга излучать свет разного цвета.

Это огромное достижение позволило исследователям различать отдельные нейроны и распутать, как они соединяются друг с другом в нейронном спагетти, из которого состоит мозг.

Этот метод был использован для того, чтобы увидеть, как мозг насекомого отслеживает направление его движения, и определить клетки мозга, которые кодируют скорость движения насекомого.

С помощью этой информации мозг насекомого может вычислить, какое расстояние оно пролетело, постоянно добавляя в память текущую скорость во время движения.

Направление и расстояние, пройденное насекомым, кодируется нейронами в его мозгу, когда оно удаляется от гнезда. Но как это сохраняется в их памяти, чтобы они могли найти дорогу назад?

Исследование памяти

Честно говоря, это была довольно головоломная загадка. Быстро передвигающиеся насекомые-навигаторы должны постоянно обновлять свою память о направлении и расстоянии на лету и при этом помнить ее в течение нескольких дней.

Эти два аспекта памяти - быстрое обновление и длительное хранение - обычно считаются несовместимыми, однако насекомым, похоже, удается их совместить.

Мы решили выяснить, как именно насекомым удается запоминать постоянно обновляющиеся воспоминания в течение длительного периода времени, и решили, что замораживание насекомых - лучший способ найти ответ.

Звучит странно, я знаю, но позвольте мне объяснить почему.

Анестезиологи знают, что когда человек находится под анестезией, он забывает некоторые вещи, которые происходили до анестезии, но помнит другие, в зависимости от того, как эти воспоминания хранятся.

Ближайшая вещь к анестезии для насекомых - это охлаждение. Когда их температура снижается до температуры тающего льда (0 ºC), электрическая активность в мозге прекращается, и насекомые впадают в кому.

Если их память о направлении и расстоянии сохраняется в виде кратковременной электрической активности, она будет стерта при замораживании, но если она хранится в синапсах между нейронами (как долговременная память), она будет сохранена.

Итак, мы отловили муравьев и жуков, когда они находились вне гнезда, и охладили их до температуры тающего льда (0 ºC) в течение 30 минут. Затем мы вернули их к температуре окружающей среды и, как только они восстановились, выпустили их в незнакомом месте, чтобы посмотреть, что они будут делать.

Обычно, когда этих насекомых выпускают в незнакомое место в их родной среде, они бегут прямо к тому месту, где было бы их гнездо, если бы они не были перемещены.

То есть они бегут параллельно своему обычному пути, и как только они преодолевают ожидаемое расстояние, они начинают искать вход в свое гнездо.

Но мы обнаружили, что насекомые, которые были заморожены, двигались в ожидаемом направлении, но забывали расстояние, которое они должны были пройти - это означало, что они начинали искать вход в свое гнездо слишком рано.

Сначала нас озадачило то, что память на расстояние ухудшилась, в то время как память на направление сохранилась - этот результат не дает четкого разграничения между краткосрочной (забытой) и долгосрочной (сохраненной) памятью, как мы ожидали.

Но мы думаем, что лучшее объяснение этому явлению - не две отдельные памяти, а одна общая память, которая кодирует и направление, и расстояние вместе взятые - и частично разрушается при замораживании.

Вот как, по нашему мнению, это работает.

Представьте, что вместо того, чтобы помнить расстояние и направление (или угол), вы помните свое положение в координатах x-y, то есть в декартовой системе координат, о которой мы учили в школе.

Тогда, если вы потеряете часть памяти, оба значения x и y уменьшатся, и если вы потеряете одинаковое количество памяти по обеим осям, в итоге вы получите меньшее расстояние, но все тот же угол, или направление.

Похоже, что насекомые использовали декартову систему координат, чтобы добраться до дома, задолго до того, как Рене Декарт формализовал эту концепцию. Как это здорово!

Будь то человек или насекомое, нам всем нужно возвращаться домой. Изучение того, как мозг насекомых запоминает, поможет нам понять, как мы, люди, тоже это делаем.The Conversation

Иоаннис Писокас, кандидат наук в области вычислительной нейронауки и биоробототехники, Эдинбургский университет; Аджай Нарендра, старший преподаватель Школы естественных наук, Университет Маккуори, и Айсе Йилмаз-Хойсингер, постдокторский исследователь в области функциональной зоологии, Лундский университет.