Стая перелетных гусей скользит по летнему небу, образуя легко узнаваемую букву «V». Громоподобное стадо бизонов мчится по равнинам, словно грозная группа... а огромная стая сардин завораживающе плывет в унисон.
Десятилетиями экологи и специалисты по поведению животных изучали эти типы группового поведения у различных видов. Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего теперь изучают их корни с точки зрения мозга. Как группы животных развивают скоординированные движения? Как так много индивидуальных мозгов могут обмениваться информацией, чтобы производить единое, согласованное поведение?
В статье, опубликованной в журнале Current Biology, говорится, что ученые-постдокторанты Дэвид Зада и Лизанна Шульце в лаборатории доцента Мэтью Ловетта-Баррона в Школе биологических наук изучали стаи крошечных прозрачных стеклянных рыбок (Danionella cerebrum), чтобы найти интригующие ответы на эти вопросы.
«Коллективное социальное поведение, такое как косяки рыб и стаи птиц, является замечательным проявлением поведенческой сложности в естественном мире, но мало что известно о том, как это поведение возникает из взаимодействующих мозгов многих особей», — сказал Ловетт-Баррон. «Мы вообще мало что знаем о том, как нейронные процессы у отдельных животных порождают кооперативное поведение».
Среди новых открытий, сделанных исследователями, было то, что стеклянные рыбы полагаются на свое зрение, чтобы плавать группами. В то время как некоторые виды рыб, как известно, используют свое чувство течения воды, чтобы плавать вместе, стеклянные рыбы используют только зрение, как показали исследователи в ходе серии экспериментов.
Используя инструменты машинного обучения для отслеживания перемещений рыб разного возраста, они также обнаружили, что способность следовать за скоординированными групповыми движениями развивается по мере взросления особей.
Подобно тому, как новорожденные люди развивают сложные социальные навыки по мере роста, стеклянные рыбки совершенствуют свою способность двигаться в скоординированных социальных группах по мере взросления. Рыбы, выращенные в нормальной социальной среде, избегали других рыб в возрасте двух недель, затем приобретали способность объединяться с другими через четыре недели и, наконец, достигали полной социальной согласованности в стаях через шесть недель.
Поскольку стеклянные рыбы очень прозрачны, исследователи смогли запечатлеть изображения их мозговой активности с помощью оптических микроскопов. Они записали тысячи нейронов в мозге стеклянных рыб, погруженных в панорамную среду виртуальной реальности, где рыбы наблюдали за движущимися рыбоподобными фигурами, которые имитируют опыт стайности.
Исследователи идентифицировали активные контуры, регистрируя изображения GCaMP, флуоресцентного белка, в нейронах. GCaMP светится ярче в присутствии кальция, который поступает в клетки, когда нейроны активны. Эти записи активности показали, что мозг стеклянной рыбы реагирует на вид своих социальных партнеров и что зрелость важна для социального зрения.
В то время как стеклянные рыбы всех возрастов могли воспринимать движение виртуальных социальных партнеров, только старые рыбы могли различать движение рыбоподобных и нерыбоподобных форм. Исследователи полагают, что развитие этой визуальной способности позволяет стеклянным рыбам выстраивать свои тела в соответствии со своими социальными партнерами, чтобы правильно плавать в стаях.
Продолжая эту идею, исследователи изучали рыб, выращенных в изоляции. Эти рыбы демонстрировали глубоко нарушенное стайное поведение и незрелую визуальную обработку социальных стимулов по сравнению со своими сородичами, выращенными в группах.
«В природе мы видим, что большие группы животных могут двигаться как сплоченное целое, и наша лаборатория работает над тем, чтобы понять, как мозг отдельных особей способен обращать внимание на действия своих социальных партнеров, чтобы производить это поведение на уровне группы», — сказал Ловетт-Баррон. «В этом исследовании мы обнаружили, что эти социальные способности появляются постепенно в ходе развития, по мере созревания нервной системы».
Стеклянные рыбы, длина которых во взрослом состоянии составляет всего 10–12 миллиметров, лишь недавно стали модельной системой для биологических исследований. Близкородственная им рыба-данио-рерио широко изучается, но с возрастом теряет свой небольшой размер и прозрачность. Стеклянные рыбы, с другой стороны, остаются маленькими и почти прозрачными на протяжении всей своей жизни, что дает биологам новые возможности для наблюдения за мозгом в действии.
