Нейрологические механизмы принятия решений будут изучать на раках
|
При виде движущейся тени молодые раки либо замирают, либо совершают сильный удар хвостом, отбрасывающий их далеко назад. Эксперименты показали, что раки выбирают одну из двух защитных реакций на основе комплексного анализа зрительных и обонятельных сигналов. Подобно животным с большим мозгом, таким как крысы и обезьяны, раки взвешивают плюсы и минусы альтернативных вариантов поведения и стараются выбрать тот, который в данной ситуации будет оптимальным. В отличие от млекопитающих, альтернативные поведенческие реакции у раков определяются возбуждением очень небольшого числа нейронов, что делает их удобным объектом для изучения нейрологических механизмов принятия решений.
В нейробиологии успех исследований самым радикальным образом зависит от удачного выбора объекта. Эрик Кандел, получивший в 2000 году Нобелевскую премию за исследования памяти, рассказывает в своих мемуарах, что поворотным пунктом в его карьере стало решение сменить объект (Eric Kandel. In Search of Memory, PDF, 2,44 Мб). Тайны памяти, ускользавшие от исследователей, пока они работали на кошках, удалось раскрыть в ходе изучения морского моллюска аплизии (см.: Нейроны соревнуются за право участия в формировании рефлексов, «Элементы», 26.04.2007). Не в последнюю очередь этому способствовало то обстоятельство, что нейроны аплизии гораздо крупнее кошачьих. Это позволяет следить за работой индивидуальных нервных клеток — например, втыкая в них электроды и регистрируя электрическую активность. Результаты, полученные на аплизии, впоследствии оказались вполне приложимыми и к кошкам, и к людям.
Механизмы принятия решений изучают обычно на млекопитающих — животных с чрезвычайно сложной нервной системой и мозгом, состоящим из миллиардов очень мелких нейронов. Даже самые мощные современные методы, такие как магнитно-резонансная томография, позволяют в лучшем случае найти участки мозга или большие группы нейронов, участвующие в тех или иных этапах принятия решения в неоднозначной ситуации (Gold & Shadlen, 2007. The Neural Basis of Decision Making). Чтобы добраться до более тонких деталей, нужен объект попроще, и желательно с крупными нейронами. Впрочем, сначала нужно выяснить, способны ли такие животные принимать осмысленные (то есть целесообразные, адаптивные) решения на основе комплексного анализа разнородной информации, подобно тому, как это делают умные млекопитающие.
Результаты экспериментов на раках, о которых психологи и нейробиологи из Мэрилендского университета (США) сообщили в журнале Proceedings of the Royal Society B, по-видимому, позволяют ответить на этот вопрос положительно. В ряде работ, выполненных в последние годы, было показано, что раки могут стать весьма перспективным объектом для нейробиологических исследований. Поэтому интерес ученых к этим животным вполне понятен. Одно из самых удобных свойств раков заключается в том, что в осуществлении некоторых важнейших поведенческих реакций у них участвуют немногочисленные очень крупные нейроны, электрическую активность которых можно регистрировать неинвазивными методами — помещая электроды просто в воду рядом с раком и ничего не втыкая в само животное.
Авторы исследовали реакцию молодых раков Procambarus clarkii на движущиеся тени (рис. 2). В опытах приняли участие 259 раков. Чтобы исключить эффекты обучения и привыкания, каждого рака использовали только один раз.
Заметив приближающуюся тень, рак либо замирает, либо резко бьет хвостом и отпрыгивает далеко назад. Обе реакции — защитные. В природе движущаяся тень с большой вероятностью означает приближение хищника — например, крупной рыбы или птицы. В эксперименте использовали тень от пластиковой непрозрачной пластины, и раки никогда не игнорировали ее. В каждом опыте непременно наблюдалась одна из двух реакций — либо замирание, либо удар хвостом.
|
Ранее было установлено, что удар хвостом происходит в результате возбуждения двух гигантских нейронов, расположенных в брюшной нервной цепочке и проходящих вдоль всего тела рака (medial giant interneurons, MG). Возбуждение этих нейронов регистрировалось при помощи двух электродов. Электрический импульс пробегает по гигантским нейронам примерно за одну миллисекунду до того, как начнут сокращаться мышцы брюшка. То есть фактически приборы регистрируют принятое раком решение ударить хвостом еще до самого удара. Что касается реакции замирания, то она провоцируется возбуждением одного-единственного нейрона; этот нейрон известен, но в данном эксперименте его активность не регистрировалась.
Оказалось, что рак решает, как ему поступить — замереть или ударить хвостом, — с учетом скорости движения тени (рис. 3). Если тень надвигается медленно (1 м/с), то рак, скорее всего, прыгнет. При виде быстрой тени (4 м/с) — замрет. Эти скорости примерно соответствуют реальным скоростям движения хищных рыб.
|
Смысл такого поведения довольно очевиден. Если хищник движется не очень быстро, есть шанс спастись от него бегством. Это надежнее, чем замирать и надеяться, что тебя не заметят. Но если враг мчится со скоростью 4 м/с, прыгать от него бесполезно — догонит. Остается замереть и положиться на удачу. Ранее такое же явление было обнаружено у грызунов: они тоже чаще реагируют замиранием, а не бегством, на угрозу, от которой трудно или невозможно убежать.
Время, затраченное раком на принятие решения, тоже зависело от скорости тени: те раки, которые выбирали прыжок, раздумывали дольше, если тень надвигалась медленно. Между началом движения тени и возбуждением MG проходило около 80 мс при скорости тени 1 м/с, и лишь около 65 мс при скорости 4 м/с. Впрочем, раки всё равно не успевали отпрыгнуть до того, как тень их накроет: при максимальной скорости движения тени она настигала их за 44 мс.
Могут ли раки, принимая решение, учитывать еще какие-то факторы, кроме скорости движения тени? Прыжок обходится раку довольно дорого: помимо того, что на столь резкое движение тратится много сил, рак после прыжка оказывается дальше от своей цели — в данном случае от источника вкусного запаха, к которому он полз. Кроме того, после прыжка ему приходится дольше приходить в себя, прежде чем он сможет продолжить путь. Раки начинали снова ползти на запах в среднем через 11 с после реакции замирания и через 29 с после удара хвостом. На то, чтобы добраться до цели, в первом случае уходило в среднем 47 с (от начала эксперимента), а во втором — целых 140 с. В природе раки часто сталкиваются с дефицитом пищи и дерутся за нее друг с другом. Поэтому раку невыгодно шарахаться от каждой тени. Принимают ли раки в расчет это обстоятельство?
Авторы провели еще одну серию экспериментов с переменной концентрацией пищевого запаха и со скоростью движения тени 1 и 2 м/с. Ученые предположили, что более сильный — а значит, более привлекательный — запах пищи, возможно, будет склонять раков к тому, чтобы реже прыгать и чаще замирать. Это предположение подтвердилось: концентрированный запах пищи достоверно снизил частоту прыжков, соответственно повысив частоту замираний. Особенно четко эта закономерность проявилась при скорости тени 2 м/с. При низкой скорости (1 м/с) эффект был сходный, но более слабый.
Исследование показало, что процесс принятия решений у раков в общих чертах похож на таковой у млекопитающих. Раки интегрируют информацию, поступающую от разных органов чувств (в данном случае — от глаз и обонятельных рецепторов), «взвешивают» значимость этих сигналов и принимают решение на основе результатов взвешивания. Сам акт принятия решения, по-видимому, состоит в том, что несколько ключевых нейронов, на которых сходятся окончания других нервных клеток, либо возбуждаются, либо нет.
Разумеется, для того чтобы осуществлять такие простейшие аналитические процедуры — и в результате совершать вполне осмысленные, адаптивные поступки, — вовсе не нужно обладать сознанием. По-видимому, даже весьма простые нейронные контуры могут справляться с такой работой, совершая ее автоматически, без всякого осознания или рефлексии, подобно интерактивной компьютерной программе. Эта простая мысль до сих пор кажется чуждой многим людям, что, вообще-то, странно в наш компьютерный век. Изученное в обсуждаемой работе поведение раков нетрудно запрограммировать, и можно, наверное, сделать искусственного автоматического рака, который будет реагировать на тени и запахи совсем как живой (см.: Тараканы приняли роботов в свой коллектив с правом решающего голоса, «Элементы», 16.11.2007).
Вряд ли на раках можно изучать сложные когнитивные процессы, характерные для человека и других млекопитающих, но базовые нейрологические механизмы принятия решений, скорее всего, сходны у нас и у раков. Изучать их на раках гораздо проще, чем на обезьянах, людях и крысах, что делает раков перспективными объектами нейробиологических исследований.
Источник: William H. Liden, Mary L. Phillips, Jens Herberholz. Neural control of behavioural choice in juvenile crayfish // Proceedings of the Royal Society B. Published online before print June 16, 2010.
Александр Марков
