Пустынные муравьи: геомагнитное поле и навигация
Отправляясь в путешествие, каким бы коротким оно ни было, необходимо знать куда идти и как вернуться назад. С древних времен человек создавал все более новые и точные методы и инструменты, помогающие в навигации. Представителям фауны GPS или секстанты не нужны, ведь многие из них ориентируются в пространстве за счет магнитного поля Земли. Однако остается загадкой как именно происходит такой тип навигации. Ученые из Вюрцбургского университета (Германия) решили разгадать эту загадку и провели наблюдения за поведением пустынных муравьев из рода Cataglyphis. Как влияло изменение магнитного поля на навигацию муравьев, и какие области их мозга были задействованы в процесс? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Магнитное поле Земли (или GMF от geomagnetic field, т. е. геомагнитное поле) является важнейшим сигналом для пространственной ориентации у многих видов животных. Он направляет птиц, рыб и черепах, а также беспозвоночных, таких как мотыльки и бабочки, во время их миграций на большие расстояния. GMF не только предоставляет информацию о компасе, но также служит геостабильным сигналом для калибровки других навигационных систем. Однако то, как магнитные сигналы кодируются в нервной системе животного, остается загадкой. Хотя магнитная ориентация традиционно и наиболее интенсивно изучалась у позвоночных, их сложная нервная система и поведенческий репертуар могут усложнить доступ к соответствующим нейронным цепям, участвующим в восприятии магнитного поля. Благодаря своей гибкой и относительно небольшой нервной системе насекомые предоставляют уникальную возможность пролить свет на нейронную основу магнитной ориентации.
Ученые отмечают, что муравьи Cataglyphis представляют собой благоприятную экспериментальную модель для изучения интеграции магнитной информации в нейронные цепи благодаря четким данным о поведении и хорошо изученным нейронным путям, лежащим в основе поведения пространственной ориентации.
Муравьи придерживаются иерархического порядка, разделяющего особей на касты в зависимости от их задач. Особи, которые являются работниками внутри муравейника, могут стать собирателями, которые покидают муравейник в поисках пищи. Перед полноценной сменой должности муравьи проходят так называемые обучающие прогулки поблизости от своего гнезда, чтобы откалибровать свой компас и изучить ориентиры, используемую для последующей навигации во время поиска пищи. Во время «стажировки» муравьи неоднократно оглядываются на вход в свое гнездо, используя интеграцию путей. Для этого GMF служит их основным ориентиром-компасом. Кроме того, GMF предлагается использовать в качестве эталонной системы для калибровки компаса муравьев и для запоминания панорамных пейзажей относительно положения входа в гнездо.
Процессы обучения, связанные с этим сенсорным восприятием направленной панорамной информации и сигналов компаса, отражаются на нейрональном уровне посредством выражения структурных изменений в нейронах, особенно их синаптических соединениях, в зрительных цепях мозга муравьев (структурная нейрональная пластичность). В отличие от пассивного воздействия света, сенсорное восприятие сигналов компаса во время обучения и прогулок приводит к увеличению синаптических связей в центрах мозга высшего порядка, связанных с сенсорной интеграцией и формированием памяти (грибовидные тела), а также с интеграцией путей и контролем движений (центральный комплекс). Структурная пластичность нейронов в этих центрах мозга зависит от вращающегося паттерна поляризации неба, который может быть заменен искусственным паттерном поляризации, меняющимся в течение дня. Однако для калибровки внутреннего представления движения Солнца по небу в течение дня (солнечные эфемериды) муравьям и пчелам нужна геостабильная система отсчета. Такой ориентир может быть предоставлен панорамным пейзажем, как было показано во время калибровки на медоносных пчелах, или GMF, как было показано на птицах.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые изучили влияние изменений магнитного поля на поведение и на структурную пластичность нейронов (далее называемую нейропластичностью) у муравьев Cataglyphis nodus.
Результаты показывают, что информация о магнитном поле по-разному влияет на нейропластичность зрительных цепей в центральном комплексе и грибовидных телах. Это говорит о том, что магнитная информация обрабатывается в этих областях мозга насекомых и что GMF предоставляет муравьям не только глобальный компас во время учебных прогулок, но и геостабильную опорную систему для калибровки, о чем свидетельствуют нейропластические изменения. Результаты показывают, что информация о магнитном поле играет решающую роль на критическом раннем этапе обучения.
Результаты исследования
Изображение №1
В естественных условиях муравьи C. nodus ходят небольшими петлями вокруг входа в гнездо во время перехода от работника к собирателю (1A). Эти так называемые обучающие прогулки неоднократно прерываются пируэтами, во время которых муравьи поворачиваются вокруг оси тела. Во время этих поворотов муравьи смотрят на вход в свое гнездо (естественный контроль, N). Хаотическое, ненадежное магнитное поле, которое меняется как по направлению, так и по напряженности вокруг входа в гнездо (Disarrayed, Dis), не позволяет муравьям определить положение гнезда (1B).
Чтобы оценить влияние манипулируемых магнитных полей на нейропластические изменения, связанные с поведением обучения, ученые объединили и адаптировали нейроэтологические анализы и методы манипулирования магнитным полем.
Новеньким муравьям, которые еще не начали учиться ходить за пределами гнезда, разрешалось совершать обучающие прогулки вокруг входа в гнездо в течение 3 дней подряд. В течение этого периода на муравьев воздействовало магнитное поле, которым манипулировали в течение дня с помощью системы 3D-катушек Гельмгольца, подключенной к естественному гнезду муравьев (1C).
Изображение №2
Сначала муравьям представили магнитную информацию, исключив горизонтальную составляющую GMF (HE от horizontal elimination). В этих условиях вектор магнитного поля все еще присутствует, но с более слабой напряженностью поля и направлен прямо вниз, не предоставляя муравьям никакой информации о направлении в горизонтальной плоскости. Во время этой манипуляции с GMF муравьи больше не могли направить взгляд обратно на вход в гнездо. Их взгляды были случайным образом распределены относительно входа в гнездо (2A). Это хорошо согласуется с поведением, наблюдаемым во время резкого устранения горизонтальной составляющей магнитного поля во время пируэтов, и подтверждает, что муравьи используют GMF в качестве компаса во время оглядывания назад.
Затем ученые задались вопросом, могут ли муравьи использовать другие сигналы направления, когда магнитная информация полностью отсутствует. Чтобы проверить это, ученые исключили полное GMF, то есть как горизонтальную, так и вертикальную составляющую GMF (TE от total elimination). Удивительно, но во время полного устранения магнитного поля муравьи все еще могли смотреть на вход в гнездо (2B).
В отличие от всех других магнитных манипуляций (Dis, HE, M+S), полное устранение оставляет муравьев вообще без магнитной информации. Эта экстремальная ситуация может заставить муравьев переключиться на резервный компас для интеграции путей, чтобы направлять свое поведение при оглядывании назад, который они бы не использовали в качестве основного компаса, если бы была доступна какая-либо магнитная информация. Такая информация компаса может поступать из более ненадежных указателей направления. Cataglyphis использует широкий спектр навигационных сигналов, включая ветровой компас, визуальные панорамные и ориентирные сигналы, обонятельные, вибрационные, гравитационные и эгоцентрические сигналы. Хотя такая информация о направлении широко используется во время добывания пищи, когда муравьи преодолевают огромные расстояния с высокой скоростью ходьбы, у них есть явные недостатки во время обучающих прогулок. Некоторые из этих сигналов еще не откалиброваны и не изучены или не обеспечивают геостабильной информации.
Поскольку основным компасом муравьев во время поиска пищи является небесный компас, ученые затем проверили, может ли вектор магнитного поля с силой GMF, который соответствует азимутальному положению Солнца и связанным с ним сигналам поляризации неба, влиять на поведение муравьев при оглядывании назад (M + S от magnetic vector follows solar azimuth, т. е. магнитный вектор соответствует солнечному азимуту, 1D). Муравьи все еще могли смотреть на свое гнездо, когда направление магнитного поля повторяло движение Солнца в течение дня (2C).
Обучающие прогулки — это очень короткие прогулки вокруг входа в муравьиное гнездо, продолжающиеся от нескольких секунд до нескольких минут. Солнечные эфемериды и, следовательно, магнитный вектор во время M + S изменяются со средней скоростью 15°/ч. Таким образом, при М + S направление магнитного вектора оставалось относительно стабильным на протяжении всей обучающей прогулки. Хотя магнитный вектор может быть стабильным во время учебной прогулки, его направление не указывает на магнитный север (1D). Результаты наблюдений показывают, что поведение муравьев при оглядывании назад не зависит от естественного направления магнитного поля (M + S). Поскольку муравьи по своей природе не могут знать, в каком отношении находится магнитное поле Земли к внешнему миру, они не могут ожидать, в каком направлении находится геомагнитный север, когда они впервые покидают свое гнездо, чтобы совершить обучающую прогулку. Кроме того, «север» не является важной информацией для работы интегратора пути. Таким образом, искусственные магнитные поля могут обеспечить необходимый компас для поведения оглядывания.
Ученые также проверили, влияют ли магнитные манипуляции на длительность самой продолжительной фазы остановки при пируэтах, которые в естественных магнитных условиях направлены к входу в гнездо. Этот показатель может быть индикатором уверенности муравьев в том, что они оглянутся на вход в гнездо. В магнитных условиях, при которых муравьи не смотрели назад на вход в гнездо (HE), самые длинные фазы остановки во время пируэтов были немного короче по сравнению с условиями, когда они внимательно оглядывались назад. Эта разница была значимой между HE и TE, но не между HE и M + S. Это может указывать на то, что муравьи осознают, что они не смотрят в сторону своего гнезда. Однако на продолжительность фаз остановки учебных прогулок пустынных муравьев может существенно влиять температура.
В совокупности результаты наблюдений показывают, что манипуляции с постоянным магнитом мешают новичкам ориентироваться. Это позволяет предположить, что GMF используется в качестве компаса во время учебных прогулок. Затем ученые проверили, влияют ли те же манипуляции на структурную нейропластичность, связанную с обучением, в центрах визуальной интеграции, вызванную обучающими прогулками.
Изображение №3
Поскольку поведение при обучении сопровождается значительной структурной пластичностью нейронов в центрах зрительной интеграции мозга муравья, необходимо было установить как магнитная информация влияет на эту нейропластичность. Ученые использовали тех же муравьев, которые совершали обучающие прогулки под воздействием магнитных сигналов, чтобы изучить, как изменения влияют на размер центральных областей мозга и количество синаптических комплексов внутри них (нейропластичность). В качестве отрицательного контроля (DD) использовали муравьев, еще не совершавших обучающих прогулок (работников внутренних муравейника). Предыдущие эксперименты показали, что как грибовидные тела, так и центральный комплекс увеличиваются в объеме и количестве синаптических комплексов после выполнения обучающих прогулок.
Изображение №4
Ученые предположили, GMF обеспечивает геостабильную реферальную систему для калибровки вращения сигналов небесного света. Если это так, то постоянное изменение информации о магнитном поле во время обучающих прогулок должно оказывать значительное влияние на нейропластические изменения в центрах зрительной интеграции.
По сравнению с условиями DD объем центрального комплекса увеличивался в той же степени, что и в естественных условиях (N), как при полной (TE) или частичной ликвидации геомагнитного поля (HE), так и при хаотичном изменении магнитного поля вокруг входа в гнездо (Dis) в течение 3 дней обучающих прогулок (4A). Только когда магнитный вектор следовал за азимутом Солнца в течение суток (M + S), объем центрального комплекса не увеличивался по сравнению с условиями DD.
Данные показывают, что вектор магнитного поля не обязательно должен указывать на геомагнитный север или предоставлять какую-либо информацию о направлении (например, когда горизонтальный компонент магнитного поля устраняется (HE)), чтобы вызвать пластичность нейронов в центральном комплексе. Только когда магнитный вектор следовал за положением Солнца и, таким образом, угол между небесной и магнитной информацией о направлении всегда оставался постоянным в течение суток (M + S), объем центрального комплекса оставался неизменным по сравнению с DD и не достигал объем N.
В естественных магнитных условиях картина поляризации, которая меняется в течение дня, необходима для запуска нейропластичности. Чтобы определить это естественное изменение сигналов небесного компаса, муравьям нужна геостабильная система отсчета — магнитное поле. Результаты показывают, что дифференциальные изменения между магнитной и поляризационной информацией с течением времени (α + tn) действительно играют решающую роль в запуске нейропластических изменений в нейронных компасных цепях муравьев (схема ниже).
Изображение №5
Лишь в тех случаях, когда информация небесного компаса изменяется во времени относительно устойчивой системы отсчета (α + tn), нейронные схемы претерпевают пластические изменения (калибровку) (4A). Интересно, что при постоянном полном устранении GMF (ТЕ) муравьи смогли компенсировать полное отсутствие магнитной информации. В этих условиях муравьи могли смотреть назад на вход в гнездо (2B), а объем их центрального комплекса увеличивался. Это указывает на то, что муравьи, возможно, переключились на резервные системы компаса, такие как панорамная информация (β + tn).
В то время как манипулирование сигналами небесного компаса в течение дня (изменение структуры поляризации) запускает пластичность нейронов как в грибовидном теле, так и в центральном комплексе, манипулирование магнитными сигналами по-разному влияет на пластичность в двух областях мозга. В областях зрительного восприятия грибовидного тела общий объем увеличивался только тогда, когда муравьям позволяли воспринимать естественное магнитное поле во время обучающих прогулок (4B). Ученые пришли к выводу, что магнитная информация, по-видимому, необходима для управления пластичностью зрительных цепей в грибовидных телах, связанных с обучающими прогулками. Этот механизм может позволить муравьям учиться и хранить калиброванные и наиболее релевантные визуальные сигналы вокруг гнезда для последующего возвращения домой, руководствуясь визуальными подсказками.
Моделирование показало, что схемы грибовидного тела обладают теоретической способностью хранить необходимую память представлений и, следовательно, могут использовать другую оценку магнитной информации, чем центральный комплекс.
Нейропластичность зрительного отдела запускалась только в естественных GMF условиях и отсутствовала после всех манипуляций с магнитным полем во время обучающих прогулок (HE, TE, Dis, M + S; 4B и 4C). Суть в том, что GMF ощутим даже внутри темного муравейника. Следовательно, муравьи уже знакомы с этим сигналом. А вот визуальные небесные и панорамные сигналы остаются неизвестными для муравьев, пока они не начнут обучающие прогулки вне муравейника. Грибовидные тела имеют решающее значение для поведения пространственной ориентации, основанного на усвоенных визуальных сигналах.
Ученые предположили, что для нейропластичности, связанной с хранением долговременных воспоминаний (снимков) в грибовидных телах, необходима соответствующая информация магнитного компаса. В естественных условиях угловая связь между зрительными и магнитными параметрами не должна меняться с течением времени (β) и лишь в незначительной степени при движении муравья в пространстве. Результаты показывают, что при нарушении этой связи (HE, Dis, M + S) или при отсутствии магнитного поля (TE) нейропластические изменения в грибовидном отсутствуют (4A).
Во время калибровки солнечных эфемерид медоносные пчелы не используют магнитное поле в качестве геостабильного ориентира, а скорее полагаются на знакомые панорамные пейзажи. Точно так же опытные собиратели Cataglyphis больше не используют магнитную информацию в качестве основного компаса во время повторного обучения. В целом это предполагает тесное взаимодействие между магнитным и небесным компасом и панорамной информацией. Ученые считают, что соответствующая магнитная информация необходима для запуска долгосрочной консолидации воспоминаний о взглядах обучающихся муравьев на свой муравейник. Долговременная консолидация зрительных воспоминаний должна запускаться только в тех случаях, когда путь муравьев правильно интегрируется и смотрит в сторону входа в гнездо, что связано с увеличением объема и синаптических комплексов в грибовидном теле.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые провели опыты на муравьях вида Cataglyphis nodus. Суть опытов заключалась в более детальном изучении того, как муравьи ориентируются в пространстве посредством геомагнитного поля.
Муравьи рода Cataglyphis обладают весьма простой нервной системой, а их мозг насчитывает менее миллиона нейронов. Для насикомы это не удивительно. Но их умение ориентироваться, ссылаясь на магнитные поля, делает их уникальными. Ученые установили эту особенность несколько лет назад, но до сих пор было неясно, где именно храниться и обрабатывается информация о магнитном поле.
В результате исследования было установлено, что информация о магнитном поле Земли в первую очередь обрабатывается во внутреннем компасе муравьев, так называемом центральном комплексе, а в грибовидных телах расположены центры обучения и памяти животных.
Память играет не последнюю роль в восприятии ориентиров и обучении. Муравьи, которые изначально были работниками внутри муравейника, могут сменить профессию и стать собирателями, которые покидают муравейник поисках пищи. Чтобы не потеряться, муравьи первым делом выполняют обучающие прогулки вокруг своего дома, периодически оглядываясь на него, тем самым собирая зрительную информацию для дальнейшего ориентирования.
Во время полевых опытов ученые вносили изменения в магнитное поле вокруг муравейника, тем самым нарушая процесс обучения муравьев. Дальнейная проверка особей показала, что муравьи, подвергшиеся воздействию измененного магнитного поля, имеют меньший объем и меньше синаптических комплексов в области мозга, ответственной за интеграцию визуальной информации и обучения, так называемом грибовидном теле. Следовательно, муравьям необходим работающий магнитный компас во время обучения, чтобы откалибровать свой зрительный компас, а также успешно зафиксировать и сохранить в памяти изображения окружающей среды вокруг муравейника.
В будущем ученые хотят выяснить в каком органе чувств пустынный муравей получает магнитную информацию и по каким сенсорным путям она передается и обрабатывается. Этого еще не удалось достичь ни одному виду животных, ориентирующихся по магнитному полю Земли. Благодаря своей управляемой и относительно небольшой нервной системе насекомые, к которым принадлежит Cataglyphis, предоставляют уникальную возможность исследовать нейрональную основу магнитной ориентации на всех уровнях.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
