Маленькая бабочка стала новой «собакой Павлова». Как и ее четвероногий прототип, моль выработала заданный условный рефлекс. Правда, вместо мяса ученые использовали сахар. Да и слюны они так и не увидели.
Исследователи из Национального института здоровья США (National Institutes of Health; NIH), Китайского университета Гонконга (Chinese University of Hong Kong) и Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology; NIST) выбрали в качестве подопытного животного бабочку Manduca sexta.
Небольшое пестрое насекомое не первый раз становится объектом лабораторных экспериментов. Британские ученые запускали это чешуекрылое в аэродинамическую трубу, чтобы изучить фазы полета и маневров. Гусеницы Manduca sexta страдали в экстремальных для них условиях, чтобы помочь ученым разгадать тайну полифенизма -- одной из форм адаптации к переменчивым условиям среды. Исследователям удалось уговорить гусениц поменять цвет после очередной линьки за счет температуры, при которой они жили.
На сей раз бабочкам предлагали лакомство в виде капельки сахарозы. И при этом наполняли воздух пахучими аэрозолями. Как говорят сами исследователи, насекомое обучали по принципу собаки Павлова, которой давали понять, что звонок предшествует кормежке. Только в отличие от истекающей слюной собаки мотылек должен был заинтересованно шевелить хоботком.
Ученые прикрепили электроды к грибовидным телам в мозге подопытных насекомых. Эти образования, которые занимают основной объем их мозга, отвечают за обучение и память. Исследователи надеялись зафиксировать реакцию нервной системы мотылька, сняв пиковый потенциал (спайк) активности в группах нейронов, которые называются клетки Кеньона. И посмотреть, как ароматы представляются в этих клетках и как связываются с положительным подкреплением.
[v1]
Рабочая группа обнаружила, что большая часть активности в клетках Кеньона, которую вызывает аромат, приходится на начало и окончание его воздействия. Как рассказывают сами исследователи, этот процесс сродни походу в кафе. Первый сигнал приходит после входа в помещение и получения первой нотки аромата кофе. Запах остается интенсивным и заметным всего несколько секунд, а потом становится фоновым. Когда человек уходит из кафе, восприятие запаха усиливается, но обонятельный сигнал уже не такой яркий, как первый.
Исследователи выяснили, что интервал между началом стимулирования запахом и получением награды крайне важен для того, чтобы мотылек начал связывать эти два события. Сначала они пытались давать сахарозу и запах одновременно -- насекомое не обучалось. Если запах присутствовал длительное время и вознаграждение бабочке давали, когда он истончался, то обучения снова не происходило. Соответственно, классическая спайк-зависимая модель пластичности, когда почти совпадающий (с разницей в миллисекунды) пиковый потенциал и событие связываются между собой, в данном случае не работает.
Зато обучение -- связь стимула и подкрепления -- происходило, когда сахароза доставалась насекомому спустя несколько секунд после того, как мозг определил запах. Большинство клеток Кеньона к тому моменту уже успокоилось, пик активности прошел. Следовательно, связь запаха и сахарозы образуется по другой модели. Ученые делают вывод, что даже такие насекомые, как мотыльки, могут дрессироваться. Эти чешуекрылые демонстрируют не только определенное поведение в ответ на стимулирование запахом. Нервные узлы моли могут формировать настоящие представления о стимуле, которые не совпадают с вознаграждением по времени.
Дрессировкой насекомых ученые занимаются достаточно давно. В отличие от Manduca sexta, чей талант пока нашел чисто теоретическое применение, пчелы уже давно вынюхивают взрывчатку. Причем за то же вознаграждение -- сахар. И реагируют они так же, как и мотылек: вытягивают хоботок, как только чувствуют запах тротила.
Ученые собираются использовать пчел в поиске взрывчатки в общественных местах. В специальное помещение с насекомыми планируют доставлять пробы воздуха и внимательно следить, не вытянулись ли лица у сборщиков меда.
Впрочем, таланты пчел на этом не заканчиваются. Исследователи из Кембриджа выяснили, что пчелы могут распознавать человеческие лица. Помеченные сахаром фотографии они вспоминали через несколько дней, после того как сладость с картинки смывали. Никакой практической пользы от таких способностей насекомых, к сожалению, нет. Но исследование достаточно простой нервной системы моли или пчелы позволяет лучше разобраться в механизмах работы высокоорганизованных систем. Или создать их искусственный аналог.
Материал опубликован в сентябрьском номере Nature Neuroscience.
