Биолог отслеживает глаза пауков, чтобы понять, как крошечный мозг обрабатывает информацию

Биолог Элизабет Якоб из Университета Массачусетса в Амхерсте и её коллеги в течение следующего года будут изучать, как животные выбирают, каким визуальным элементам в окружающей среде уделять внимание, с помощью пауков, смотрящих видео со своей добычей. Она считает, что мы находимся на пороге получения важных новых знаний о том, как мозг и специализированные сенсорные системы работают вместе для обработки визуальной информации.

Якоб получила грант Национального научного фонда (NSF) в размере $145 028 на разработку и создание айтрекера, специально предназначенного для пауков-скакунов. Айтрекер измеряет положение и движение глаз, чтобы определить, куда смотрит субъект, то есть его внимание. «Это как окно в мозг паука. Это позволит нам увидеть, как они исследуют сложные изображения и ищут ли они определённые особенности», — объясняет она.

Пауки-скакуны — очень внимательные животные, которые используют зрение для идентификации и поимки добычи, оценки сложных брачных танцев самцов, распознавания хищников и поиска пути к гнезду. Таким образом, им необходимо быстро просеивать всевозможную визуальную информацию и решать, видят ли они угрозу, потенциального партнёра или лакомство.

Эта сортировка входящих стимулов — та же проблема, с которой сталкиваются другие животные, включая людей. Например, в любой момент наши чувства могут улавливать тиканье часов, изображение на экране компьютера и ощущение тела в кресле. Мы должны решать, чему уделять внимание в каждый конкретный момент. Якоб говорит, что пауки сталкиваются с той же задачей, но с другим «оборудованием»: восемь глаз и крошечный мозг, который может поместиться на кончике булавки. У них есть специализированные глаза для обнаружения разной информации. Три пары вторичных глаз, которые, как считается, адаптированы для обнаружения движения, довольно просты, с линзой и неподвижной сетчаткой.

Напротив, главные глаза имеют сложную структуру. Они направлены вперёд и имеют неподвижную линзу, которая является частью внешнего скелета паука. Сетчатка каждого главного глаза находится внутри головы на конце глазной трубки. Плотно упакованная фоторецепторами, сетчатка обеспечивает пауку высокое разрешение зрения, сопоставимое с приматами. Однако её малый размер означает очень узкое поле зрения — всего около 10 градусов.

Это ограничение преодолевается уникальным устройством: глазные трубки, удерживающие сетчатку, управляются мышцами, поэтому паук может направлять их, как лучи фонарика. Именно эти подвижные главные глаза и предназначен изучать айтрекер. Как и айтрекеры для изучения восприятия человека, паучий айтрекер позволит Якоб проецировать изображения (например, добычи) пауку и наблюдать, как его главные глаза исследуют изображение.

Паук в айтрекере подвешен за небольшой съёмный пробковый «колпачок», прикреплённый к его голове. Проволока, прикреплённая к пробке, удерживает паука на месте во время 10-минутных экспериментов. Паук помещается перед линзой, через которую он может видеть проецируемое изображение. Чтобы помочь пауку сохранять равновесие и предотвратить беспорядочные движения восьми ног, ему дают подержать маленький шарик из пенопласта.

В экспериментах каждое животное будет смотреть видео или анимацию своего обычного вида добычи, в то время как Якоб и коллеги будут использовать инфракрасный луч в айтрекере, чтобы определить, на чём сфокусирована сетчатка животного и как долго. Пауки не видят инфракрасный свет, поэтому не будут знать о луче. Якоб будет изучать два разных вида пауков-скакунов с разными техниками охоты: быстро атакующего Phidippus и гораздо более медленного охотника Portia, чтобы сравнить, как взаимодействуют глаза и как используется базовая зрительная система у видов с разным поведением. Результаты будут публиковаться на веб-сайте, который Якоб разрабатывает совместно с Американским арахнологическим обществом.

После завершения настольный аппарат для отслеживания движения глаз станет лишь второй подобной установкой в мире. Первая принадлежит коллегам Якоб, Роберту Джексону и Дуэйну Харланду из Университета Кентербери в Новой Зеландии. Другие исследователи пауков в Северной Америке стремятся посетить UMass Amherst, чтобы использовать этот новый инструмент, говорит Якоб.

Её грант NSF также финансирует исследования, призванные понять, как информация от разных глаз объединяется. Исследователи будут закрывать разные наборы глаз масками, а затем предъявлять паукам различные стимулы, отображаемые на iPod Touch, и записывать их поведение. «Пауков-скакунов легко обмануть видеоизображениями, они будут атаковать видео с сверчком, как если бы оно было настоящим. Эта особенность позволяет легко разрабатывать интересные эксперименты», — говорит Якоб.

Используемая в сочетании с айтрекером, техника маскирования также может помочь определить, направляют ли вторичные глаза движение главных глаз к разным областям окружающей среды.