Медузы, несмотря на отсутствие централизованного мозга, демонстрируют развитые способности к обучению, аналогичные людям и другим сложным организмам, бросая вызов традиционным представлениям о процессах нейронного обучения.
Навыки обучения медуз: сложные неврологические концепции
Даже не имея центрального мозга, медузы могут учиться на прошлом опыте, как люди, мыши и мухи, впервые сообщают ученые в журнале 22 сентября. Текущая биология. Они дрессировали карибскую коробчатую медузу (Трипедалия цистофора) учимся обнаруживать препятствия и обходить их. Исследование бросает вызов предыдущим идеям о том, что для улучшения обучения требуется централизованный мозг, и проливает свет на эволюционные корни обучения и памяти.
Сложное зрение в простом организме
Эти, казалось бы, простые желе размером не больше ногтя, имеют сложную зрительную систему с 24 глазами, встроенными в их колоколообразные тела. Живя в мангровых болотах, это животное использует свое зрение, чтобы ориентироваться в мутной воде и огибать корни подводных деревьев, чтобы поймать добычу. Ученые продемонстрировали, что желе могут приобрести способность избегать препятствий посредством ассоциативного обучения, в результате которого организмы формируют мысленные ассоциации между сенсорными стимулами и поведением.
Карибская коробчатая медуза. Кредит: Джон Белеки
«Обучение — это максимальная производительность нервной системы», — говорит первый автор Ян Пиелецкий из Кильского университета в Германии. По его словам, чтобы успешно научить медузу новому трюку, «лучше всего использовать ее естественное поведение, то, что животное понимает, чтобы оно полностью раскрыло свой потенциал».
Моделируемая среда обучения
Пытаясь воссоздать естественную среду обитания медузы, исследователи украсили круглый резервуар серыми и белыми полосами, имитирующими отдаленные корни мангровых деревьев. Они наблюдали за медузой в аквариуме в течение 7,5 минут. Первоначально желе плавало близко к этим, казалось бы, далеким линиям и часто сталкивалось. Но к концу эксперимента желе увеличило среднее расстояние примерно на 50%, в четыре раза увеличило количество успешных поворотов, чтобы избежать столкновения, и вдвое сократило контакт со стеной. Результаты показывают, что медузы могут учиться на собственном опыте с помощью визуальных и механических стимулов.
Карибские коробчатые медузы живут и питаются среди подводных корней мангровых зарослей. Кредит: Андерс Грам
«Если вы хотите понять сложные структуры, лучше начать как можно с простого», — говорит старший автор Андерс Карм из Копенгагенского университета, Дания. «Когда мы смотрим на эти относительно простые нервные системы медуз, у нас появляется больше возможностей понять все детали и понять, как все это объединяется, чтобы осуществлять поведение».
Понимание учебного центра
Затем ученые попытались определить процесс, лежащий в основе ассоциативного обучения медуз, изолировав зрительные сенсорные центры животного, известные как ропалии. Каждая из этих структур имеет шесть глаз и производит сигналы кардиостимулятора, которые управляют пульсирующими движениями медузы, частота которых увеличивается по мере удаления животного от препятствий.
Исследователи показали, что неподвижный ромб перемещает серые стержни, имитируя приближение животного к объектам. Система не реагирует на светло-серые полосы, интерпретируя их как далекие. Однако после того, как исследователи обучили робалиум слабой электрической стимуляцией при приближении полосок, он начал генерировать сигналы, толкающие барьер, в ответ на светло-серые полосы. Эти электрические импульсы имитируют механические импульсы столкновения. Результаты также показывают, что сочетание визуальных и механических стимулов имеет важное значение для ассоциативного обучения медуз и что ропалий функционирует как центр обучения.
Будущие направления
Далее исследовательская группа планирует глубже изучить клеточные взаимодействия нервной системы медуз, чтобы выяснить, как формируются воспоминания. Они также планируют глубже понять, как работает механический датчик в колоколе, чтобы составить более полную картину ассоциативного обучения животных.
«Удивительно, как быстро эти животные учатся; это та же скорость, что и у продвинутых животных, — говорит Гарм. — Похоже, что даже самая простая нервная система способна осуществлять продвинутое обучение, и это может оказаться самым фундаментальным клеточным механизмом, открытым в рассвет эволюционной нервной системы».
Чтобы узнать больше об этом исследовании, удивительные знания о медузах меняют наше фундаментальное представление о мозге.
Ссылка: «Ассоциативное обучение медузы Tripedalia Cysophora» 22 сентября 2023 г., Текущая биология.
DOI: 10.1016/j.cub.2023.08.056
Эта работа была поддержана Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Немецкий исследовательский фонд), Датским исследовательским советом (DFF) и Фондом Уильяма.
