Летучие мыши ориентируются в социальной жизни с помощью GPS мозга

Летучие мыши используют те же нейроны для социальной навигации, что и для пространственной навигации. Исследование включало беспроводную нейронную запись и визуализацию групп египетских летучих мышей, летающих в большой комнате.

Новизна исследования

Нейроны летучей мыши в гиппокампе сработали не только для указания местоположения животного, но и для идентификации других присутствующих летучих мышей.

Практическая значимость работы

Это открытие может пролить свет на роль гиппокампа в социальных и пространственных аспектах потери памяти при таких заболеваниях, как болезнь Альцгеймера.

Те же нейроны, которые помогают летучим мышам перемещаться в пространстве, могут также помогать им ориентироваться в коллективной социальной среде, говорится в новом исследовании, опубликованном в научном журнале Nature.

Считается, что многие млекопитающие, в том числе летучие мыши и люди, ориентируются с помощью структуры мозга, называемой гиппокампом, которая кодирует ментальную «карту» знакомого окружения.

Например, когда вы гуляете по району или едете на работу, отдельные нейроны в гиппокампе испускают активные сигналы, указывающие, где вы находитесь.

В новом исследовании ученые из Калифорнийского университета в Беркли использовали беспроводные устройства нейронной записи и визуализации, чтобы «подслушивать» мозговую активность гиппокампа египетских фруктовых летучих мышей, когда они свободно летали в большом полетном зале, часто перемещаясь между плотно сгруппированными социальными группами — при этом технологии слежения фиксировали перемещения летучих мышей.

Исследователи были удивлены, обнаружив, что в этой социальной среде нейроны места летучей мыши кодируют гораздо больше информации, чем просто местоположение животного. Когда летучая мышь летела к месту приземления, срабатывание нейронов места также содержало информацию о присутствии или отсутствии в этом месте другой летучей мыши.

А когда присутствовала еще одна летучая мышь, активность этих нейронов указывала на личность летучей мыши, к которой они летели.

«Это одна из первых работ, показывающих представление идентичности в мозгу неприматов», — комментирует автор исследования Майкл Ярцев (Michael Yartsev), сотрудник кафедры биоинженерии и нейробиологии Калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley).

«И что удивительно, мы обнаружили его в центре того, что должно было быть GPS мозга. Мы обнаружили, что он по-прежнему действует как GPS, но при этом настроен на социальную динамику окружающей среды».

По словам автора исследования Анджело Форли (Angelo Forli), хотя они и не так ошеломляющи визуально, как косяк рыб или журчание птиц, очень социальные животные, такие как люди и летучие мыши, также демонстрируют формы коллективного поведения.

«Социальные животные, как и люди, будут координировать свои действия в пространстве для достижения разных целей», — объясняет Форли. «Это может быть просто посещение других. Это может быть совместное движение, как в случае классического коллективного поведения или игры в футбол. Или это могут быть другие формы сотрудничества или конфликта».

Из-за сложности эксперимента Форли изначально сомневался в том, что разрешение группам летучих мышей летать и свободно взаимодействовать даст результаты о нейронной основе коллективного поведения.

Автор исследования был обеспокоен тем, что движения летучих мышей и их социальные взаимодействия могут быть слишком случайными, чтобы выявить надежные связи между их нейронной активностью и поведением.

Поэтому ученый был приятно удивлен, когда летучие мыши спонтанно установили несколько определенных мест для отдыха в полетной комнате и следовали очень похожим траекториям, путешествуя между ними. Летучие мыши также продемонстрировали явное предпочтение летать к определенным летучим мышам-другам, часто приземляясь очень близко или даже друг к другу.

«Мы обнаружили, что если собрать небольшую группу летучих мышей в комнате, они на самом деле не будут вести себя хаотично, а будут демонстрировать точные модели поведения», — добавляет Форли. «Они проводили время с конкретными людьми и показывали конкретные и стабильные места, куда им нравилось ходить».

Эти точные модели поведения позволили Форли идентифицировать не только нейронную активность, связанную с различными траекториями полета, но также то, как нейронная активность менялась в зависимости от личности летучей мыши, присутствующей в целевом месте, и движений других летучих мышей.

«Записав всего несколько нейронов из этой структуры мозга, мы действительно сможем узнать, что летучие мыши делали в своем социальном пространстве», — объясняет Ярцев. «Мы смогли узнать, направлялись ли они в пустое место или в место, где были другие люди, что действительно удивительно».

В последние годы Ярцев и его лаборатория NeuroBat использовали различные беспроводные устройства нейронной записи и технологии отслеживания полетов, чтобы раскрыть ряд удивительных подробностей о мозге, в том числе о том, как синхронизируется нейронная активность летучих мышей во время общения; как активность лобной коры помогает летучим мышам идентифицировать себя и других во время голосового взаимодействия; как гиппокамп летучих мышей отображает не только конкретные места, но и полные траектории полета; и даже о том, как стабильные пространственные воспоминания могут храниться в мозгу.

Это новое исследование объединяет работу команды ученых над навигацией и социальным поведением, показывая, как эти две вещи фундаментально переплетаются в мозге. Полученные результаты также помогают прояснить, почему повреждение гиппокампа у людей связано как с социальными, так и с пространственными аспектами потери памяти при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера.

«Наши эпизодические воспоминания представляют собой комбинацию среды, в которой мы находимся, и нашего опыта в ней, включая, конечно, наш социальный опыт», — добавляет Ярцев.

«Наши результаты удивительны в том смысле, что никто раньше не наблюдал эту связь в группах животных и на уровне отдельных нейронов. Но они также имеют смысл, поскольку очень соответствуют дефициту, который испытывают люди с повреждением гиппокампа».

Наконец, это исследование подчеркивает очень важный момент. В то время как большая часть нейробиологического сообщества исследует мозг в «упрощенных» или «искусственных» условиях, которые часто далеки от естественного поведения, которое мозг развил в процессе эволюции, эта работа демонстрирует силу естественного подхода к нейробиологическим исследованиям.

«На протяжении полувека люди изучают нейроны места, но 99% этой работы было выполнено на одиночных животных, перемещающихся в пустом ящике», — заключает Ярцев. «Наши результаты показывают, что можно многому научиться, если нейробиологические исследования сосредоточатся на естественном поведении».