Воспоминания моллюсков выводят узоры на растущих раковинах
Вы вспоминали, сколько форм ракушек существует в природе? А какое количество вариантов их раскраски? Страно, но оказалось, что всё это разнообразие описывается одним единственным уравнением с девятью переменными.
Красивое открытие, совершённое на стыке математики, биологии и (сюрприз) нейрофизиологии, окажет помощь учёным лучше осознать, как трудится… отечественный мозг, а также — как в нём сохраняются воспоминания.
Необыкновенный подход к раскрытию тайной картинок на моллюсках применяли аспирант Алистер Биттайгер (Alistair Boettiger) из Калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley), его соратник по университету биофизик Джордж Остер (George Oster), и нейрофизиолог Бэрд Ирментраут (Bard Ermentrout) из Питтсбурга (University of Pittsburgh).
Они утверждают, что за создание своеобразных цветных узоров раковин, равно как и за выбор их формы, включая небольшие подробности наподобие бугров и борозд, отвечают нейронные сети, встроенные в мантии того либо иного моллюска.
Растущая мантия не забывает распределение веществ (в частности, карбоната кальция) в слое, заложенном незадолго до, и выстраивает новый слой сообразно неспециализированному замыслу. «Рисунок на раковине — это память моллюска», — утверждает Остер. Ну, не в полной мере настоящая память, как, допустим, у человека. Но однако сходство тут более глубокое, чем думается на первый взгляд.
Исследователи удостоверились в надежности собственную теорию на компьютерной модели. Тут продемонстрирован лишь один виртуальный моллюск (справа) из многих, последовательно «выращенных» в машине в соответствии с отысканным закономерностям. Он в точности совпал по форме и рисунку с реально существующим моллюском Conus vicweei (слева).
Подробнее о модели мы поведаем ниже (фото Alistair Boettiger/UC Berkeley).
«Оболочка составлена из слоёв. Мантия зондирует историю „мыслей“ моллюска и экстраполирует их на следующий уровень, совершенно верно так же, как отечественный мозг думает о будущем», — додаёт исследователь.
Тут необходимо пояснить, что морских моллюсков рано записывать в философы. Речь заходит о родных аналогиях. Так как что такое идея с позиций физиологии?
Упрощённо говоря, это торможений и волны возбуждений в нейронных цепях.
Но как раз такие волны и направляют рост раковины «по замыслу», растолковывают отечественные храбрецы. А что же определяет сам замысел? Осознать это окажет помощь ход в сторону… визуальных иллюзий.
Ещё в 1865 году австрийский физик Эрнст Мах (Ernst Mach) выдвинул предположение, что за кое-какие из обманов зрительного восприятия отвечает так именуемое латеральное торможение (lateral inhibition). Практически оно было открыто и подтверждено большое количество позднее — уже в двадцатом веке.
Эффект содержится в следующем: рецептор (палочка), что испытывает самый сильный стимул (свет), не только отправляет соответствующий сигнал в мозг, но и подавляет реакцию на свет у нескольких соседних клеток (другими словами окружает себя территорией торможения).
В следствии машинально увеличивается контраст замечаемого изображения и улучшается восприятие границ и граней предметов, в особенности в условиях низкой освещённости. Тот же эффект, увидим, трудится и при работы сенсоров и тактильного восприятия в коже.
Пример полос Маха. Данный рисунок складывается из трёх участков: яркого равномерного поля, небольшой полосы и тёмного поля между ними, где имеет место плавный градиент от одной яркости к второй. Но чем больше вы станете всматриваться в картину, тем яснее заметите ещё две тоненькие полосочки – весьма светлую, на границе между градиентом и светлой областью, и весьма чёрную, на границе между градиентом и «легко» чёрной областью.
Этих двух узких полос в действительности нет – перед нами фокусы работы сетчатки (иллюстрация с сайта wikipedia.org).
В частности, зрительная иллюзия «Полосы Маха» (Mach bands) разъясняется как раз латеральным торможением последовательностей фоторецепторов, на каковые попадают те либо иные вертикальные полосы на картине.
Потому, что сеть клеток оценивает не практически яркость каждой точки «в абсолюте», а сравнивает яркость точек соседних, принудительно повышаемый латеральным эффектом контраст ведет к интересным неточностям в восприятии (смотрите рисунок слева). Такова отечественная (а шире — млекопитающих) плата за приличную чёткость зрения в сумерках.
Какая тут сообщение с раковинами моллюсков? Самая прямая — как раз латеральное торможение руководит нанесением рисунка на растущей оболочке морского существа. Ещё в 1970-х Остер и Ирментраут опубликовали собственную раннюю нейронную модель механизма управления ростом раковины.
Но у них не было возможностей проверить её. Сейчас же они (вместе с Биттайгером) выполнили легко виртуозную работу.
Olivia porphyria. Слева – настоящий моллюск, справа – виртуальная модель, выросшая точь-в-точь как настоящая (фото Alistair Boettiger/UC Berkeley).
Сперва при помощи электронного микроскопа учёные изучили на примере нескольких моллюсков, как сеть рецепторов в мантии связана с секреторными клетками, создающими белки и карбонат кальция (часть из них — это пигменты). На протяжении наращивания нового слоя уровень синтеза тех либо иных веществ определяет и форму, и цвет (узор) оболочки.
После этого авторы идеи смоделировали размер областей торможения около возбуждённых нейронов в растущей раковине, вернее — около секреторных клеток, управляемых нейронами, и оценили вероятные пороги срабатывания латерального результата.
Оказалось, что все физиологические комбинации определяются девятью параметрами. Это и имеется переменные коэффициенты в едином уравнении (составленном авторами работы), ответ которого определяет — какое количество каких соединений будет «выложено на стену» в каждой точке по мере строительства ракушки.
Проверить численную модель удалось так: варьируя исходные 9 параметров, авторы программы сумели взять в компьютере чуть ли не все главные виды моллюсков! А как как раз открытые правила трудились в тех либо иных случаях — мы на данный момент объясним.
Биттайгер и его сотрудники узнали, что все картинки на раковинах возможно поделить на три класса: полосы, идущие параллельно растущему краю, полосы, идущие перпендикулярно растущему краю, и сложные картинки, формирующие систематично повторяющиеся пятнышки, шеврончики и без того потом, как поясняют авторы — созданные бегущими волнами кальция и пигмента.
Проявление того либо иного типа рисунка зависит от характера работы латерального торможения нейронов в мантии моллюска.
В каждой паре моллюск слева – настоящий, справа – компьютерный. Сходство поразительно.
Значит, учёным удалось уловить за хвост математическую гармонию раковин (фото Alistair Boettiger/UC Berkeley).
В случае если клетки, выдающие пигмент, подавляют секрецию пигмента в соседних клетках, но не у себя, одинаковая схема распределения «строительного раствора» повторяется изо дня в сутки, генерируя полосу, перпендикулярную растущему краю раковины. В случае если так же действуют секреторные клетки, создающие карбонат кальция, — появляются гребни.
Учёные отмечают, что по мере роста размеров раковины гребни и полосы делятся (ветвятся), оставаясь любой (-ая) той же ширины, что и раньше. Это обусловлено чисто математически — физический размер регионов ингибирования нейронов в любом месте однообразен.
Полосы, параллельные краю раковины, авторы модели растолковали ингибированием секреторной деятельности клеток в будущем (с отсрочкой). Пигмент, полученный за одни сутки, может сдерживать работу секреторных клеток в течение нескольких следующих дней, в следствии создавая эффект включения/выключения краски, приводящий к серии полос.
Самый же увлекательны, сообщается в пресс-релизе университета, модели, каковые генерируют зигзаги, бриллианты, шевроны, наконечники стрел и без того потом. Это происходит, в то время, когда имеющийся пигмент угнетает секрецию на этом же участке, лишь в будущем, но возбуждает секрецию в окружающих клетках. Пятна пигмента, так, «движутся» вбок изо дня в сутки по мере роста моллюска, создавая что-то наподобие бегущей волны.
А интерференция таких волн и порождает сложные узоры.
Ещё две компьютерные раковины, выращенные методом Биттайгера, Остера и Ирментраута, были аналогичны настоящим ядовитым моллюскам: мраморному конусу (Conus marmoreus, вверху) и Conus gloriamaris (внизу). Настоящие раковины продемонстрированы на врезках (иллюстрации Alistair Boettiger, George Oster/UC Berkeley; Bard Emmentrout/Pittsburgh).
Работа американских учёных обязана появляться нужной сходу для нескольких направлений в биологических изучениях. Так как то же латеральное торможение есть ответственным принципом работы нейронных сетей по большому счету, а не только совокупности зрительного восприятия. В частности, оно участвует в регуляции высшей нервной деятельности, в механизме работы памяти а также в специализации клеток и развитии эмбриона растущего организма.
Так получается, что простые правила, открытые Махом чуть ли не полтора века назад, были применимы для описания сложных механизмов столь, думается, непохожих друг на друга: от зрительных иллюзий до рисования и работы «мозга» всё тех же «картин» на боках моллюсков.
Сами исследователи собираются применить открытые ими закономерности к ещё одной задачке из области морской живности. Процессы, подобные проявлению рисунка на раковине, лишь идущие несравненно стремительнее, несут ответственность за перемены цвета каракатиц, иногда играющих красками,как будто бы стробоскоп — вычисляет Остер.
Такая вот широта применений метода. Но стоит ли удивляться? Во всех прекрасных вещах присутствует некая гармония, которая, быть может, описывается неспециализированными формулами. Красота устройства природы проступает во множестве образов.
Моллюски — только пример. Недаром один из авторов данной работы — Биттайгер — объявил, что единственной призом в ней было эстетическое чувство, чувство красоты всего проекта.
