7 Minutės
Mokslininkai išmokė bumbulus (Bombus terrestris) atskirti trumpus ir ilgus šviesos blyksnius — supaprastintą Morse'o kodo versiją — ir naudoti šią laiko informaciją pasirinkdami, kur rinkti maistą. Tai pirmasis įrodymas, kad šie pūkuoti apdulkinėjėjai gali priimti paieškos sprendimus remdamiesi vien vizualinio signalo trukme, atskleidžiant netikėtai sudėtingą laiko apdorojimą vabzdžių smegenyse, kurių dydis prilygsta aguonos sėknei.
How the experiment worked: training bees to read time
Tyrimą vadovavo elgesio mokslininkas Alex Davidson iš Queen Mary University of London. Jis ir jo komanda sukūrė mažą paieškos areną, kurioje po vieną darbuotoją bumbulą pristatydavo prieš du mirgančius šviesos šaltinius. Vienas šaltinis pulsavo ilgesnį laiką, kitas — trumpiau. Kai kuriose serijose ilgas blyksnis truko 5 sekundes, o trumpas — 1 sekundę; kitose, ilgas impulsas buvo 2,5 sekundės prieš 0,5 sekundės trumpąjį impulsą. Kiekvienai bumbulų grupei vienas laiko intervalas buvo susietas su saldžiu atlygintuvu, o kitas — su atgrasantiniu kartoku tirpalu (kininu).
Gyvūnai turėjo išmokti, kuri laiko seka veda prie cukraus ir kuri prie kinino. Bumbulai buvo laikomi apmokytais, kai pasiekdavo sėkmės ribą — 15 teisingų pasirinkimų iš 20 bandymų. Svarbu paminėti, kad po apmokymo tyrėjai pašalino cukrų ir kininu paženklintus atlygius ir vykdė neapdovanotus kontrolinius (probe) bandymus, kad atmestų kvapo ar kitų ne laikinės prigimties užuominų naudojimą. Net ir be skonio signalų, vabzdžiai vis tiek teikė pirmenybę tam laiko modeliui, kuris anksčiau buvo susietas su cukrumi, o jų rezultatai buvo reikšmingai aukštesni nei atsitiktinumo lygis.
Tyrėjų eksperimentinė sąranga išskyrė vien tik laiko elementą: visi impulsai buvo identiški pagal intensyvumą, vietą ir spektro savybes, skyrėsi tik trukme. Todėl bumbulai turėjo užkoduoti ir atsiminti temporalinius skirtumus, kad pasirinktų tinkamą šaltinį. Šis eksperimentas pateikia įtikinamų argumentų, kad Bombus terrestris gali apdoroti grynai temporalinę vizualinę informaciją — gebėjimą, kuris anksčiau dažniau buvo aprašomas stuburiniams gyvūnams nei vabzdžiams.
Tyrėjų eksperimentinė schema. Dešinėje esantis dėžutė yra bumbulų gyvenamoji kamera; trys kairėje esantys skyreliai skirtos bandymams. (Alex Davidson/Queen Mary University of London)
Why temporal processing matters in nature
Gebėjimas teisingai įvertinti laiko intervalus padeda gyvūnams spręsti realias išlikimo problemas. Paieška maisto gali reikalauti palyginti, kiek ilgai žiedas išlieka atviras arba kaip ilgai tam tikras maisto šaltinis yra prieinamas. Laiko suvokimas taip pat svarbus navigacijai, plėšrūnų vengimui ir socialinei komunikacijai tarp individų. Nors bumbulai gamtoje retai susiduria su mirgančiais šviesos modeliais, kaip laboratorinis Morse'o kodas, temporalinis apdorojimas gali būti adaptacija kitoms jutiminėms užduotims — pavyzdžiui, judesio sekimui, sparnų plakimo dažniui arba žiedo dinamikai įvertinti, taip pat sekoms užkoduoti mokymosi metu.
„Norėjome sužinoti, ar bumbulai sugebės atskirti šiuos skirtingus trukmės intervalus, ir buvo labai įdomu tai pamatyti“, — sako Davidson. Jis ir kolegos siūlo dvi galimas interpretacijas: arba laiko suvokimas išsivystė įrankiams, kuriems anksčiau reikėjo reakcijų į judesį ar kitus ekologinius reikalavimus, arba tai atspindi pagrindinę neuroninę laiko kodavimo savybę, kuri plačiai paplitusi gyvūnų karalystėje.
Paieškos arenos diagrama, kurioje buvo testi bumbulai. (Alex Davidson/Queen Mary University of London)
Key discoveries and scientific context
Šis tyrimas papildo augančius įrodymus, kad bičių kognicija yra turtingesnė, nei manyta anksčiau. Pastaruoju metu atlikti darbai parodė, kad bumbulai gali prižiūrėti grybo tipo išteklius, perduoti sprendimų ieškojimo įgūdžius ir net demonstruoti žaidimo pobūdžio sąveikas. Kitos bičių rūšys parodė paprastą skaičiavimo suvokimą ir mokymosi strategijas, primenančias pirmines aritmetines operacijas. Pridėjus gebėjimą diskriminuoti trukmę, dar labiau pabrėžiama, kaip sudėtingos kognityvinės užduotys gali atsirasti itin mažose nervų sistemose.
Techniniu požiūriu eksperimentas izoliuoja temporalinę diskriminaciją kaip sprendimų kintamąjį. Randomizuodami, kuri trukmė žymi atlygį tarp grupių ir pašalindami ne laikinės prigimties užuominas kontroliniuose bandymuose, tyrėjai sumažino alternatyvių paaiškinimų tikimybę — tokių kaip kvapas, erdvinė šališkumas ar ryškumo skirtumai. Efektų dydžiai — tai, kad bumbulai rinkosi atlygį žyminčią trukmę dažniau nei atsitiktinai — rodo stiprų mokymąsi per gana trumpą apmokymo periodą.
Be to, tyrimo dizainas leido įvertinti ribas ir jautrumą: skirtingos trukmės poros (5 s vs 1 s ar 2,5 s vs 0,5 s) suteikė informacijos apie bumbulų laiko diskriminacijos rezoliuciją ir nuokrypius. Tokie duomenys yra vertingi konstruojant modelius apie tai, ar vabzdžių laiko reprezentacijos yra intervalių ar santykinių pobūdžio, ir kiek jos priklauso nuo ilgalaikės arba darbinių atminties.
Implications for cognition and robotics
Supratimas, kaip labai mažos smegenys koduoja laiką, turi reikšmę ne tik biologijai. Įžvalgos apie kompaktiškas ir efektyvias neuronines strategijas temporaliniam apdorojimui gali įkvėpti mažos galios algoritmus robotikoje ir jutiklių sistemose, kur aparatinės įrangos apribojimai atspindi ribotus išteklius, turimus vabzdžiams. Konkrečiai, algoritmai, imituojantys populiacijos lygmens neuronu dinamika arba oscilatorinius mechanizmus, galėtų pasiūlyti ekonomiškus sprendimus laiko reprezentacijai ribotos atminties ir energijos sąlygose.
Be to, pripažinus pažangias kognityvines galimybes apdulkinėjėse, apsaugos argumentai įgauna naują prasmę: saugant rūšis, turinčias netikėtą elgesio sudėtingumą, yra ir etinis, ir praktinis motyvas — juk tokios rūšys atlieka svarbias ekosistemos paslaugas, įskaitant žydų apdulkinimą ir agrarinio produktyvumo palaikymą. Šie rezultatai gali pakeisti požiūrį į buveinių apsaugą, monitoringo priemones ir bičių populiacijų valdymą, remiantis supratimu apie jų kognityvinius gebėjimus.
Expert Insight
„Nustatymas, kad bumbulai gali naudoti vizualaus impulso trukmę kaip gaires maisto paieškai, yra stulbinantis“, — sako dakt. Lina Morales, neuroetologė (fiktyvi), tyrinėjanti vabzdžių mokymąsi. Ji paaiškina, kad tokie rezultatai rodo: laiko kodavimas gali būti arba perimtas iš esamų jutiminių skaičiavimų, arba atsirasti kaip emergentinė savybė neuroniniuose tinkluose, veikiančiuose labai mažu mastu. Bet kuriuo atveju šie atradimai verčia naujai įvertinti, ką mažos smegenys gali nuveikti ir kaip natūralioji atranka formuoja efektyvius sprendimus sudėtingoms užduotims.
What’s next for research
Atvirų klausimų vis dar lieka daug. Ar bumbulai geba generalizuoti laiko suvokimą per skirtingas modalumas — pavyzdžiui, garsinius signalus lygiuoti su vizualiniais? Kokia nervų grandinių architektūra slypi intervalų įvertinimo mechanizme bičių smegenyse, ir kiek šis mechanizmas yra lankstus skirtingose ekologinėse situacijose bei tarp skirtingų rūšių? Būtų vertinga taikyti eksperimentus, kurie derintų elgesio testus su neinvaziniais neuroniniais įrašais arba pažangiais vaizdavimo metodais, kad būtų galima identifikuoti nervinių populiacijų aktyvumo modelius, susijusius su laiku.
Tolimesniuose tyrimuose taip pat galima lyginti aritmometrinius ir temporalinius gebėjimus tarp bičių rūšių, siekiant suprasti, kas lemia skirtingų rūšių kognityvinius skirtumus: genetikos, ekologinių reikalavimų ar gyvenimo būdo niuansų. Kompiuteriniai modeliai, atkuriantys bumbulų elgesį naudojant populiacijos dinamika ar oscilacinius komponentus, galėtų patikrinti hipotezes apie laiko reprezentacijos mechanizmus. Tokie modeliai kartu su bihevioristiniais duomenimis padėtų atskirti, ar intervalų kodavimas yra labiau „absoliutus“ (fiksuotas laiko matmuo) ar „santykinis“ (priklausomas nuo konteksto ir matricos laiko skalės).
Šis darbas, paskelbtas žurnale Biology Letters, primena, kad įspūdingi kognityviniai gebėjimai gali kilti iš itin mažų nervinių sistemų — ir kad paprasti eksperimentiniai dizainai, įkvėpti kasdienių technologijų, tokių kaip Morse'o kodas, gali apšviesti fundamentinius gyvūnų intelekto principus. Tyrimo rezultatai skatina tolimesnius tarpdisciplininius darbus — nuo neurobiologijos ir elgesio ekologijos iki robotikos ir dirbtinio intelekto, kur iš insect-derived principų gali būti kuriami nauji sprendimai energijos efektyvumui, laiko apdorojimui ir adaptaciniam elgesiui techninėse sistemose.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą