Как плодовые мушки используют внутренние представления о направлении головы для целенаправленной навигации

Поведение животных часто опирается на преобразование сенсорной информации в моторные команды, что может зависеть от внутренних потребностей организма. Хотя у млекопитающих этот процесс поддерживается сложными мозговыми механизмами, более простые его версии могут управлять поведением и более мелких организмов, включая насекомых.

Для планирования действий в отсутствие сенсорных сигналов некоторые животные полагаются на внутренние представления о своём положении в окружающем пространстве. Эти представления могут включать информацию о направлении головы (head direction, HD) или данные от "клеток места" (place cells) в гиппокампе, формирующих внутренние "карты" среды.

Исследователи из Медицинского института Говарда Хьюза изучили, как плодовые мушки (Drosophila melanogaster) одновременно создают карты новых сред и используют эти внутренние представления для определения целей. Их работа, опубликованная в Neuron, проливает свет на то, как внутренние репрезентации направляют целенаправленное поведение.

"Привязка целей к пространственным представлениям обеспечивает гибкую навигацию, но представляет сложность в новой среде, когда оба типа представлений должны формироваться одновременно. Мы предлагаем концепцию, объясняющую, как Drosophila использует внутренние представления о направлении головы для формирования целевых репрезентаций на основе избирательного теплового подкрепления", — пишут Чунтао Дань, Брэд К. Халс и их коллеги.

В экспериментах поведение мух формировали с помощью теплового воздействия, связанного с различными повторяющимися визуальными паттернами. Эти паттерны изменяли внутренние HD-репрезентации мух, что позволило наблюдать, как эволюция HD-представлений взаимодействует с целями мух и в итоге формирует их поведение.

С помощью алгоритмов машинного обучения и данных предыдущих исследований учёные попытались определить, как эти процессы могут осуществляться в области мозга насекомых, известной как центральный комплекс (central complex, CX).

"Мы показываем, что мухи используют стохастически генерируемые фиксации и направленные саккады для выражения предпочтений по направлению в парадигме оперантного визуального обучения, и что HD-нейроны необходимы для изменения этих предпочтений на основе подкрепления. Мы использовали симметричную визуальную обстановку, чтобы выявить, как HD- и целевые представления мух совместно эволюционируют и как надёжность этих взаимодействующих репрезентаций влияет на поведение", — отмечают авторы.

Результаты исследования показывают, как мухи одновременно картографируют окружение и привязывают внутренние цели к создаваемым картам при первом знакомстве с новой средой. Проанализировав экспериментальные и ранее собранные данные с помощью вычислительных моделей, исследователи создали концептуальную модель, описывающую, как мозг плодовых мух поддерживает их целенаправленное поведение в новых условиях.

"Мы описываем, как быстрое обучение новым целевым направлениям может основываться на поведенческой политике, параметры которой гибки, но форма которой генетически закодирована в архитектуре нейронных цепей. Такие эволюционно структурированные архитектуры, обеспечивающие быстро адаптивное поведение на основе внутренних представлений, могут быть универсальны для разных видов", — заключают учёные.

Хотя эксперименты проводились на плодовых мушках, сходные нейронные архитектуры и процессы могут существовать и у других видов. Будущие исследования с использованием генетических методов могут дополнительно раскрыть клеточные механизмы, опосредующие обнаруженный процесс целенаправленного обучения, или помочь выявить аналогичные процессы у других животных.