Нейронному компасу летучих мышей не нужны ни Луна, ни звезды

В мозг летучих мышей встроен глобальный «компас»: он определяет направление одинаково в любом месте, независимо от положения Луны и звезд.

Для первого в своем роде изучения нейробиологических основ работы навигации летучих мышей исследователи из Института Вейцмана снарядили экспедицию на крошечный необитаемых остров у побережья Танзании. Результаты исследования вышли в журнале Science.

«Я искал территорию, достаточно обширную, чтобы выпускать летучих мышей и следить за их навигацией, но не слишком большую, без высоких деревьев и изолированную от другой суши, чтобы мы могли легко поймать мышей снова и восстановить записи об активности их мозга. Можно подумать, что подходящих островов бесчисленное множество, но даже после систематического всемирного поиска мы не могли найти нужный. Ночь за ночью я медленно перемещал курсор по Google Earth в поисках острова посреди океана. Однажды я приблизил регион, который уже просматривал ранее, — и вдруг обнаружил остров Латам», — вспоминает профессор Нахум Улановский с кафедры наук о мозге Института Вейцмана.

Экспедиция за тридевять земель

С собой ученые взяли снаряжение для кемпинга, оборудование для спутниковой связи и множество научных приборов.

«Арендовав здание в центральном ветеринарном институте Танзании, мы отремонтировали его и оборудовали лабораторию. Отобрали шесть местных фруктовых летучих мышей того же вида, которого мы ранее изучали в Израиле, и имплантировали им крошечные устройства, которые записывают активность мозга и передают их местоположение с помощью GPS. Это самое маленькое в мире устройство такого рода, разработанное специально для этого исследования», — рассказывает нейробиолог.

Сначала летучим мышам позволили акклиматизироваться к новой обстановке в полетном шатре. После этого каждую мышь выпускали летать в одиночку на 30–50 минут каждую ночь. Пока мыши летали, исследователи записывали активность более 400 нейронов в глубинных отделах мозга, известных своим участием в навигации.

Они обнаружили, что каждый раз, когда мыши летели головой в определенную сторону — например, на север, — активировалась уникальная группа нейронов, работая как «внутренний компас». Навигация с помощью направленных нейронов наблюдалась ранее в лаборатории, но это было первое доказательство, что это происходит и в природе.

Когда исследователи проанализировали записи с разных частей острова, они обнаружили, что активность клеток направления головы была последовательной и надежной по всему острову, позволяя мышам ориентироваться на большой географической территории.

«Один из главных вопросов в навигации млекопитающих — функционируют ли клетки направления головы как локальный компас или как глобальный, — объясняет Улановский. — Другими словами, всегда ли данная группа клеток указывает в одном и том же направлении — скажем, на север, — или же весь компас переориентируется в зависимости от локального окружения? Мы обнаружили, что компас глобальный и единообразный: где бы мышь ни находилась на острове и что бы она ни видела, конкретные клетки всегда указывают в одном и том же направлении — север остается севером, а юг — югом. Мы также увидели, что когда мышь перемещалась с западного побережья острова на южное, изменение направления береговой линии не нарушало работу компаса. Кроме того, компас оставался точным, даже когда мыши летали с разной скоростью и на разных высотах».

Калибровка внутреннего компаса

Следующим вопросом было, на какую информацию опирается компас летучих мышей. Известно, что многие перелетные птицы используют магнитное поле Земли, направление которого единообразно. Однако, судя по всему, с летучими мышами дело обстоит иначе.

«В течение их первых ночей на острове активность нейронного компаса была не слишком устойчивой. Мы наблюдали постепенный процесс обучения, пока к третьей ночи ориентация компаса мышей не стала очень стабильной. Такое обучение не согласуется с использованием магнитного поля, которое присутствовало с самого начала», — говорит профессор.

Другой способ навигации в пространстве — полагаться на ориентиры в окружающей среде, такие как высокие здания в большом городе.

«Любая природная среда полна ориентиров, которые можно увидеть, унюхать или услышать. Рельеф острова Латам включает скалы и большие валуны, которые могли служить навигационными подсказками. У фруктовых летучих мышей доминирующим чувством является зрение, и у него самая большая дальность, поэтому мы предполагаем, что они в основном полагаются на зрение. В отличие от навигации, основанной на магнитных полях, система, зависящая от запоминания ориентиров, требует сложных нейронных вычислений, отчасти потому, что только некоторые из ориентиров видны с каждой конкретной точки. Именно поэтому использование этой системы занимает несколько дней обучения — или, точнее, несколько ночей», — говорит Улановский.

Могли ли летучие мыши, как люди и другие животные, также смотреть вверх и ориентироваться по Солнцу, Луне и звездам? Небесные тела — нестабильные ориентиры: они появляются, движутся и затем исчезают, поэтому использовать их для навигации сложно. Лабораторные исследования показали, что движущиеся объекты, напоминающие небесные тела, могут влиять на активность клеток направления головы в мозге млекопитающих, но, как оказалось, в дикой природе наличие или отсутствие Луны на небосклоне никак на активности клеток «компаса» не отражается.

«Мы выяснили, что Луна и звезды не нужны для навигации летучих мышей. Тем не менее, возможно, их компас интегрирует небесные сигналы с локальными ориентирами. Угол небесных тел относительно животного не зависит от его точного местоположения, поэтому они могут служить для калибровки компаса. Например, в свою первую ночь в новой среде, такой как остров Латам, летучие мыши могли сравнивать положение ориентиров с положением небесных тел, обеспечивающих "абсолютную истину", — что значительно ускорило бы обучение и стабилизировало компас», — полагает исследователь.

А нам это зачем?

Клетки направления головы — самый базовый навигационный механизм у млекопитающих, появляющийся на самой ранней стадии развития мозга после рождения. Они также эволюционно консервативны и встречаются у видов от мух до грызунов и летучих мышей. У нас никакого компаса нет, хотя схожие нейронные механизмы могли сохраниться. Тем не менее такие исследования имеют практические последствия, уверен Улановский: «Изучение навигации млекопитающих помогает нам строить гипотезы о том, как работают механизмы навигации в человеческом мозге и как они могут нарушаться, например, при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера».

«Мы надеемся, что наше исследование побудит другие группы, как в науках о мозге, так и за их пределами, выводить свои исследования из лаборатории в природу», — заключил он.