Ученые записали электроэнцефалограмму голубя прямо в полете. Уникальный метод позволяет понять механизм голубиной навигации, потому что птицы смогли летать еще и с GPS-навигатором. О своей работе авторы рассказали корреспонденту Infox.ru.
Голуби известны своей способностью находить дорогу домой из незнакомой местности. Биологи называют это «хомингом» (от home – дом). Эту способность люди исторически использовали в своих целях: голуби повсеместно служили для почтовой связи.
Когда голуби летят к дому, они, как и перелетные птицы, используют разные подсказки. Они ориентируются по положению солнца, по магнитному полю Земли, даже, как это ни удивительно, по запаху. Используют они и ландшафтные ориентиры: реки, шоссе, населенные пункты и пр.
Изучать миграции птиц стало проще с появлением GPS. Поместив на птицу миниатюрный GPS-приемник, можно точно отследить ее перемещения. Но чтобы лучше разобраться в механизмах птичьей навигации, ученым очень хотелось «заглянуть в мозг» прямо во время полета. Долгое время это было технически невозможно, и сама поставленная задача казалась нерешаемой.
Сделать это впервые удалось международной группе ученых под руководством профессора Ханса-Петера Липпа (Hans-Peter Lipp) из Института анатомии Цюрихского университета (Institute of Anatomy University of Zurich), в которой есть и наши соотечественники. Алексей Высоцкий, работающий ныне в Институте нейроинформатики (Institute of Neuroinformatics, University of Zurich), Джакомо Дель-Омо (Giacomo Dell’Omo), Институт анатомии Цюрихского университета, Александр Латанов (кафедра высшей нервной деятельности биологического факультета МГУ) и их коллеги создали первый в мире прибор для записи электрической активности мозга голубя прямо во время полета.
«Летающий энцефалограф»
Такой прибор биологи назвали нейрологгером. Он все время совершенствуется, и самое главное – уменьшается в размерах. Нейрологгер 2 (Neurologger 2), который ученые использовали в последней работе, весит всего 2 грамма вместе с источником питания, а размер его – около одного квадратного сантиметра. Он содержит 256 МВ памяти и способен регистрировать четыре канала ЭЭГ (с четырех электродов) со скоростью 9600 измерений в секунду.
Этот миниатюрный энцефалограф содержит блок для фильтрации сигнала, каскадный усилитель сигнала, микроконтроллер для оцифровки сигнала и блок памяти. Прибор также записывает направление головы голубя и электромиограмму мышц. Вся эта конструкция крепится на голове птицы.
Нейрологгер подсоединен к микроэлектродам, которые во время операции вживляют голубю эпидурально -- это значит, что они находятся на поверхности твердой мозговой оболочки. Регистрирующие электроды ученые расположили над зрительным wulst (специфический отдел мозга птиц, участвующий в восприятии и обработке зрительной информации) и в соседней зоне, где происходит более сложный анализ.
Реакция мозга на зрительный объект
26 голубей обоего пола жили в голубятне в Италии в 25 км от Рима и недалеко от побережья Средиземного моря. Их регулярно тренировали находить дорогу домой, отвозя на 50 км.
Прежде чем начать полетные эксперименты, надо было разобраться в особенностях ЭЭГ птиц. Поэтому первые опыты ученые проводили в вольере. «Частотные показатели электрической активности мозга птиц иные, чем у крыс и мышей – обычных лабораторных животных, -- объяснил корреспонденту Infox.ru Алексей Высоцкий. – Мы показали, что средне- и высокочастотные волны больше коррелируют с поведением, чем низкочастотные». Ученые разделили всю возможную электрическую активность мозга голубя на несколько диапазонов. Наиболее связаны с поведением оказались диапазоны С (среднечастотный, 12-60 Гц) и высокочастотные D (60-130 Гц) и Е (130-200 Гц).
В вольерных экспериментах ученые показали, что когда голубь пристально смотрит на объект, в его мозге усиливаются волны средних частот (диапазон С). Причем если объект располагался с одной стороны от птицы, то ЭЭГ изменялась в противоположном полушарии, поскольку пути зрительной информации в мозге перекрещиваются. А если голубю перед полетом закрывали один глаз, то ответ мозга на объект в поле зрения наблюдали с этой же стороны.
В полетных экспериментах голуби кроме нейрологгера несли GPS-приемник в виде пластины, которую закрепляли птице на спине. GPS весил около 25 граммов. Поскольку это вес для голубя ощутимый, его сначала приучали носить на спине контрольный груз такого же веса, а перед полетом надевали GPS. Он записывал путь птицы с точностью 5 метров каждую секунду.
Из открытого моря к родному дому
Птиц увозили в море, за 18 км от берега и 30 км от голубятни, и там выпускали. Они довольно быстро находили дорогу домой, в среднем за 38 минут, а их скорость колебалась от 60 до 80 км в час. Это показывает, что дополнительный вес нейроблоггера и GPS не мешал птицам в полете.
После возвращения голубей ученые извлекали информацию из памяти приборов и анализировали. GPS давал в их распоряжение треки – пути следования птиц, а нейрологгер показывал, как изменяется в это время электрическая активность мозга.
Сначала голуби летели над морем, над однородным ландшафтом без всяких зрительных ориентиров. Но когда они достигали берега, начиналась знакомая для них территория, где они пролетали одно шоссе, другое шоссе и перекресток.
Полет над морем у голубей сопровождался высокочастотной активностью, которая снижалась по мере приближения к берегу. В открытом море голубям, очевидно, надо было использовать для навигации такие ключи, как положение солнца и магнитное поле. Среднечастотная активность при полете над морем оказалась низка, но пиково возросла при подлете к берегу.
При полете над землей картина была другой. Среднечастотная активность в диапазоне С усиливалась при приближении к какому-то ландшафтному ориентиру: шоссе, перекрестку или тогда, когда голуби видели родную голубятню. Так отмечались все объекты, которые представляли для голубя интерес. Это не только маркеры для навигации, но и другие интересные вещи, например, места подкормки на полях, где скапливались стаи диких голубей. Нейрологгер отмечал интерес птиц к этим объектам. Причем усиление среднечастотной активности начиналось в зоне 150 метров от предмета интереса. Если ориентир находился с одной стороны по курсу голубя, более сильная активация ЭЭГ наблюдалась с противоположной стороны.
Интересно, что когда голубей выпускали группами по 6 птиц, активность в С диапазоне у них также усиливалась при приближении к объектам интереса, но меньше, чем у одиночных птиц. По-видимому, когда птицы летят группой, они обращают меньше внимания на зрительные ориентиры, поскольку держатся вместе и следуют друг за другом. Одиночные птицы летели с несколько меньшей скоростью, чем в группе (8,3 км в минуту против 5,6 км в минуту).
Недалеко от голубятни располагался открытый карьер, хорошо видимый с воздуха. Некоторые голуби, привлеченные этим объектом, сворачивали к карьеру (что сопровождалось среднечастотной активностью в противоположном полушарии), а потом переориентировались на голубятню. В момент, когда они осознавали, что летят не туда, и меняли направление, наблюдался всплеск высокочастотной активности. Высокочастотная активность усиливалась также при отсутствии видимых ориентиров (над морем или при плохой видимости) или тогда, когда птицы встречали первый знакомый ориентир и корректировали свой полет.
О чем говорит ЭЭГ в полете
«Мы рассматриваем среднечастотную активность как отражение зрительного восприятия, а высокочастотную активность – как отражение анализа информации на более высоком иерархическом уровне мозга, -- говорит Алексей Высоцкий. – Например, когда происходит извлечение информации из памяти и принятие решения».
«Сама возможность записать ЭЭГ птицы в полете казалась очень проблематичной. Этого никогда раньше не делали. То, что это получилась – это действительно большая удача, -- продолжает ученый. -- Мы показали, что метод ЭЭГ, который до сего времени использовался только в лаборатории, можно применить в природных исследованиях. И использовать для того, чтобы понять, как мозг ориентируется в окружающем мире».
По его словам, история работы такова. Первые попытки записи ЭЭГ голубя в полете были сделаны советским физиологом Каневским и его коллегами в 1982-83 годах. Они использовали радиотелеметрический преобразователь, чтобы преобразовать и зарегистрировать электрическую активность мозга голубя в летящем сзади вертолете. Этот метод не позволял получить качественные данные и при этом был очень дорогим. Кроме того, вертолет сильно влиял на поведение птиц в полете.
С 2002 года группа профессора Ханса-Петера Липпа стала работать над мини-энцефалографом для летящего голубя. Первый вариант нейрологгера крепился на спину голубя вместе с GPS. Затем началась работа над тем, чтобы добиться чистоты записи и снизить вес прибора. Сконструированный Алексеем Высоцким нейрологгер 2 позволил провести исследования навигации голубей в длительном полете.
Статья будет опубликована в журнале Current Biology.
