Moucha má jedinečný mozek

Mozek mouchy je sotva větší než otvor v šicí jehle. Ale moucha, která má takový mozek, zvládne zpracovat více než sto statických snímků (snímků) za sekundu. Jak víte, lidský limit je přibližně 25 snímků za sekundu. A moucha našla jednodušší a efektivnější způsob zpracování obrázků. A to nemohlo zajímat výzkumníky v oblasti robotiky.

Bylo zjištěno, že mouchy zpracovávají 100 snímků za sekundu. A to jim umožňuje detekovat překážku během letu během několika milisekund (milisekunda je jedna tisícina sekundy). Zejména výzkumníci zaměřili svou pozornost na optické toky, které nazvali „toky optického pole“. Zdá se, že toto optické pole zpracovává pouze první vrstva neuronů. Zpracovávají „hrubý“ zdrojový signál z každého létajícího „pixelu“. A předávají zpracované informace další vrstvě neuronů. A podle vědců existuje pouze 60 těchto sekundárních neuronů v každé hemisféře mozku mouchy. Mozek mouchy však dokáže zmenšit nebo rozdělit zorné pole do mnoha po sobě jdoucích „vektorů pohybu“, které dávají mouše vektor směru pohybu a „okamžitou“ rychlost. A co je zajímavé, moucha to všechno vidí!

My, lidé (a ne všichni), víme, co je vektor a okamžitá rychlost. A moucha o těchto věcech přirozeně nemá ani ponětí. A takové schopnosti mozku mouchy zpracovat obrovské množství informací lze jen závidět. Proč vidíme jen asi 50 snímků za sekundu a letíme 100? Těžko říct, ale v této věci existují rozumné odhady. Jak moucha létá? Téměř „okamžitě“, s obrovským zrychlením. Takové přetížení jsme jen stěží vydrželi. Ale je možné vytvořit robotický mozek, který je ve zpracování informačních toků rychlý jako mozek mouchy.

Aby se pokusili porozumět tomu, jak může malý mouchí mozek zpracovat tak obrovské množství informací, vytvořili vědci v Mnichově „letecký simulátor“ pro mouchu. Moucha mohla létat, ale byla držena na vodítku. Elektrody zaznamenávaly odezvu mozkových buněk mouchy. A výzkumníci se snažili pochopit, co se děje v mozku mouchy během letu.

První výsledky jsou zřejmé. Mouchy zpracovávají obrazy ze svých upřených očí velmi odlišně než lidé. Když se moucha pohybuje v prostoru, v jejím mozku se tvoří „pole optického toku“, která dávají mouše směr pohybu.

Jak by to viděl člověk? Například při pohybu vpřed by se okolní předměty okamžitě rozptýlily do stran. A objekty v zorném poli by se zdály větší, než ve skutečnosti jsou. A zdálo by se, že blízké a vzdálené objekty se pohybují jinak.

Rychlost a směr, s jakým se objekty míhají před očima mouchy, generují typické vzory pohybových vektorů – toků pole. Které ve druhé fázi zpracování obrazu dosáhnou tzv. „lobula plate“ – zorného centra vyšší úrovně. V každé hemisféře mozku mouchy je pouze 60 nervových buněk odpovědných za vidění. Každá z těchto nervových buněk reaguje pouze na signál s určitou intenzitou.

Ale pro analýzu optických toků jsou důležité informace přicházející z obou očí současně. Toto spojení zajišťují speciální neurony zvané „VS buňky“. Umožňují mouše přesně posoudit její polohu v prostoru a rychlost letu. Zdá se, že „buňky VS“ jsou zodpovědné za snímání a reakci na krouticí moment aplikovaný na mouchu během jejích letových manévrů.

Robotičtí výzkumníci pracují na vývoji robotů, kteří dokážou pozorovat své prostředí pomocí digitálních fotoaparátů, učit se, co vidí, a vhodně reagovat na změny aktuální situace. A efektivně a bezpečně komunikovat a komunikovat s lidmi.

Vývoj již probíhá například na malém létajícím robotovi, jehož poloha a rychlost bude řízena pomocí počítačového systému napodobujícího vizi mouchy.

O článku

• Autor, Pallab Ghosh
• Místo výkonu práce, korespondent BBC Science

Mouchy se snadno pohybují na zemi i ve vzduchu a jejich samci dokonce vědí, jak v období páření provádět „muší serenády“ pro své přítelkyně – a to vše díky malému mozku, menšímu než špendlíková hlavička.

Toto je překlad materiálu zveřejněného na webu BBC News. Originál si můžete přečíst v angličtině zde.

Vědcům se poprvé podařilo vytvořit podrobný trojrozměrný model mušího mozku skládající se z přibližně 130 tisíc neuronů, pro které potřebovali přesně určit polohu a tvar každé buňky a také vysledovat asi 50 milionů spojení mezi nimi.

Toto je nejhlubší a nejpodrobnější studie mozku dospělých zvířat, která kdy byla provedena.

Jeden z předních odborníků v oblasti výzkumu mozku, který se na tomto projektu nepodílel, řekl BBC, že zveřejněná práce je obrovským skokem v našem chápání lidského mozku.

Profesor Gregory Jeffries z Laboratoře molekulární biologie Rady pro lékařský výzkum (LMB) na University of Cambridge věří, že výsledky práce pomohou objasnit záhady „mechanismu myšlení“.

Podle něj dnes vědci nemají žádnou přesvědčivou odpověď na otázku, jak přesně mu složitá nervová struktura v hlavě každého člověka umožňuje interakci s ostatními lidmi a světem kolem sebe jako celkem.

Kanál BBC WhatsApp

Zde zveřejňujeme pouze hlavní zprávy a nejzajímavější texty. Kanál je k dispozici pro jiná než ruská čísla.

Konec příběhu Reklama na kanálu WhatsApp

„Jak tato spojení fungují? ptá se profesor Jeffreys. — Jak tímto systémem prochází nervový signál, který nám umožňuje zpracovávat informace: abych poznal vaši tvář; chceš slyšet můj hlas a přeměnit to, co slyšíš, na elektrické signály?“

„Modelování mozku mouchy je kritická práce, která nám pomůže pochopit, jak funguje náš vlastní mozek,“ říká.

Lidský mozek má asi milionkrát více nervových buněk než ovocná muška (Drosophila), kterou studujeme. Jak tedy může diagram hmyzího mozku pomoci vědcům pochopit mechanismy našeho myšlení?

Snímky zveřejněné v časopise Nature odhalují neurální strukturu, jejíž kráse odpovídá složitost její architektury.

V jeho konstrukci se skrývá odpověď na hlavní otázku: jak je tak malý orgán schopen vykonávat tak obrovské množství složitých výpočetních úkolů.

Moderní věda si ani neumí představit, že by vytvořila počítač o velikosti zrnka máku, který by byl něčeho takového schopen.

Profesorka Mala Murthy, která vedla část výzkumu prováděného na Princetonské univerzitě, tvrdí, že výsledný model nervových spojení (vědci tomu říkají „connectome“) otevírá neurovědcům nové, dosud neviděné obzory.

„Model pomůže výzkumníkům lépe porozumět struktuře a principům fungování zdravého mozku. A pak v budoucnu – porovnáním s podobným vzorkem – bude možné okamžitě pochopit, kdy se v našem mozku něco pokazí,“ doufá.

S tímto názorem souhlasí i Lucia Prieto Godino, která se studie neúčastnila a vede skupinu pro výzkum mozku na Francis Crick Institute v Londýně.

„Dříve už vědci sestavili kompletní konektomy obyčejné žížaly, která má asi 300 neuronů, a červa, který má tři tisíce, ale kompletní konektomy jedince, jehož mozek má 130 tisíc neuronů, je prostě vědecký počin, který otevírá způsob, jakým vědci sestavují a konektomy většího mozku. Například myší mozek a možná za pár desetiletí i náš vlastní.“

Vědcům se podařilo izolovat specifické nervové cesty používané k provádění určitých tělesných funkcí a ukázat, jak jsou vzájemně propojeny.

Například buňky zodpovědné za pohyb jsou umístěny v základně mozku, zatímco neurony odpovědné za vizuální vnímání jsou umístěny na straně.

V druhém případě je zapojeno mnohem více buněk, protože vizuální zpracování obrazu vyžaduje mnohem větší výpočetní výkon.

Vědci věděli o existenci takových oddělených tras již dříve, ale specifická spojení mezi nimi byla vytvořena poprvé.

Proč je tak těžké chytit mouchu?

Zveřejněné modely neuronových spojení již využívají jiní výzkumníci – například k pochopení toho, proč je tak těžké plácnout nebo dokonce chytit mouchy.

Vizuální neurony detekují, kterým směrem letí složené noviny, a okamžitě vysílají signál do nohou mouchy.

A nejen signál ke skoku, ale ke skoku daleko od zdroje ohrožení. Dalo by se tedy říci, že mouchy skáčou, aniž by přemýšlely o tom, kam přesně – doslova rychleji než rychlost myšlenky.

Toto zjištění může vysvětlit, proč je pro nás tak těžké je zasáhnout.

Pro vytvoření co nejpodrobnějšího modelu byl muší mozek pečlivě rozřezán na 7000 vrstev mikroskopickým skalpelem, každá vrstva byla vyfotografována zvlášť a převedena do digitálního formátu.

Poté tým vědců z Princetonu pomocí umělé inteligence vytěžil z pořízených fotografií informace o tvaru každé konkrétní buňky a spojení mezi nimi.

Umělá inteligence však pomohla jen částečně, během práce udělala více než tři miliony chyb, které museli výzkumníci ještě ručně opravovat.

Tento výsledek sám o sobě by mohl být považován za vynikající technický výkon, ale to byla pouze první polovina práce.

Podle doktora Philippa Schlegela, člena Laboratoře molekulární biologie Medical Research Council, samotný diagram nedává příliš smysl, pokud není doprovázen popisem toho, za co přesně je konkrétní nervový okruh zodpovědný.

„Dá se to přirovnat k Mapám Google,“ říká, „jen tyto mapy jsou pro mozek. Syrový vzorec neuronových spojení poskytuje pohled na to, jaké struktury odpovídají jednotlivým ulicím a budovám, které se na nich nacházejí.“

„Popisování těchto neuronů je však stejné jako umístění názvů ulic a měst, provozních hodin podniků, jejich telefonních čísel, recenzí atd. na mapu,“ vysvětluje Schlegel. „Aby byla mapa skutečně užitečná, musíte znát obojí.“

Publikovaný konektom mozku mouchy je otevřen ke studiu všem vědcům, kteří jej mohou potřebovat k provádění vlastního výzkumu. Dr. Schlegel je přesvědčen, že v příštích několika letech budou neurovědci s jeho pomocí schopni učinit mnoho důležitých objevů.

Lidský mozek je mnohem větší než moucha a zatím nemáme technologii, která by shromáždila všechny informace o jeho podrobné struktuře.

Vědci však věří, že za 30 let bude možné vytvořit podobný lidský konektom. A obvody mušího mozku, říkají, pokládají základ pro hlubší pochopení toho, jak naše vlastní mysl funguje.

Výzkumné práce prováděla společně řada vědeckých týmů z celého světa sdružených ve velké mezinárodní skupině FlyWire Consortium.