Вы задумывались, сколько форм ракушек существует в природе? А сколько вариантов их раскраски? Удивительно, но оказалось, что всё это богатство описывается одним единственным уравнением с девятью переменными. Шикарное открытие, совершённое на стыке математики, биологии и (сюрприз) нейрофизиологии, поможет учёным лучше понять, как работает... наш мозг, и даже — как в нём хранятся воспоминания.
Необычный
Вы задумывались, сколько форм ракушек существует в природе? А сколько вариантов их раскраски? Удивительно, но оказалось, что всё это богатство описывается одним единственным уравнением с девятью переменными. Шикарное открытие, совершённое на стыке математики, биологии и (сюрприз) нейрофизиологии, поможет учёным лучше понять, как работает... наш мозг, и даже — как в нём хранятся воспоминания.
Необычный подход к раскрытию загадки рисунков на моллюсках использовали аспирант Алистер Биттайгер (Alistair Boettiger) из Калифорнийского института в Беркли (UC Berkeley), его соратник по университету биофизик Джордж Остер (George Oster), также нейрофизиолог Бэрд Ирментраут (Bard Ermentrout) из Питтсбурга (University of Pittsburgh).
Они молвят, что за создание специфичных цветных узоров раковин, равно как и за выбор их формы, включая мелкие детали вроде бугров и борозд, отвечают нейронные сети, встроенные в мантии того или другого моллюска.
Растущая мантия помнит распределение веществ (а конкретно, карбоната кальция) в слое, заложенном накануне, и выстраивает новый слой сообразно общему плану. "Рисунок на раковине — это память моллюска", — утверждает Остер. Ну, не стопроцентно настоящая память, как, допустим, у человека. Но всё же сходство тут более глубочайшее, чем кажется на 1-ый взгляд.
"Оболочка составлена из слоёв. Мантия зондирует историю "мыслей" моллюска и экстраполирует их на следующий уровень, точно так же, как наш мозг размышляет о будущем", — добавляет исследователь.
Тут нужно разъяснить, что морских моллюсков рано записывать в философы. Речь идёт о близких аналогиях. Ведь что такое мысль с точки зрения физиологии? Упрощённо говоря, это волны возбуждений и торможений в нейронных цепях.
Но непосредственно такие волны и направляют рост раковины "по плану", объясняют наши герои. А что же определяет сам план? Понять это поможет шаг в сторону... зрительных иллюзий.
Ещё в 1865 году австрийский физик Эрнст Мах (Ernst Mach) выдвинул предположение, что за некоторые из обманов зрительного восприятия отвечает так называемое латеральное торможение (lateral inhibition). Фактически оно было открыто и подтверждено много позже — уже в XX веке.
Эффект заключается в следующем: детектор (палочка), который испытывает более сильный стимул (свет), не только посылает соответствующий сигнал в мозг, ну и подавляет реакцию на свет у нескольких примыкающих клеток (другими словами окружает себя зоной торможения).
В конечном итоге автоматом возрастает контраст наблюдаемого изображения и улучшается восприятие граней и границ предметов, в особенности в аспектах низкой освещённости. Тот же эффект, заметим, работает и в случае тактильного восприятия и работы сенсоров в коже.
А конкретно, зрительная иллюзия "Полосы Маха" (Mach bands) разъясняется непосредственно латеральным торможением рядов фоторецепторов, на которые попадают те или другие вертикальные полосы на картинке.
Потому что сеть клеток оценивает не фактически яркость каждой точки "в абсолюте", а сравнивает яркость точек примыкающих, принудительно повышаемый латеральным эффектом контраст приводит к пытливым ошибкам в восприятии (смотрите рисунок слева). Такая наша (а шире — млекопитающих) плата за приличную чёткость зрения в сумерках.
Какая тут связь с раковинами моллюсков? Самая ровненькая — непосредственно латеральное торможение управляет нанесением рисунка на растущей оболочке морского существа. Ещё в 1970-х Остер и Ирментраут выпустили свою раннюю нейронную модель механизма управления ростом раковины. Но у их не было возможностей проверить её. На данный момент же они (вместе с Биттайгером) выполнили просто виртуозную работу.
Сначала при помощи электронного микроскопа учёные изучили на примере нескольких моллюсков, как сеть рецепторов в мантии связана с секреторными клетками, производящими карбонат кальция и белки (часть из их — это пигменты). Во время наращивания нового слоя уровень синтеза тех или других веществ определяет и форму, и цвет (узор) оболочки.
Позже создатели идеи смоделировали размер областей торможения вокруг возбуждённых нейронов в растущей раковине, поточнее — вокруг секреторных клеток, управляемых нейронами, также оценили возможные пороги срабатывания латерального эффекта.
Оказалось, что все физиологические композиции определяются девятью параметрами. Это и есть переменные коэффициенты в едином уравнении (составленном создателями работы), решение которого определяет — сколько каких соединений будет "выложено на стену" в каждой точке по мере строительства ракушки.
Проверить численную модель удалось так: варьируя исходные 9 черт, создатели программы смогли получить в компьютере чуть не все главные виды моллюсков! Как непосредственно открытые правила работали в тех или других случаях — мы сейчас объясним.
Биттайгер и его коллеги узнали, что все рисунки на раковинах можно поделить на три класса: полосы, идущие параллельно растущему краю, полосы, идущие перпендикулярно растущему краю, и сложные рисунки, формирующие нередко повторяющиеся пятнышки, шеврончики и т.д., как разъясняют создатели — изготовленные бегущими волнами пигмента и кальция.
Проявление того или другого типа рисунка зависит от характера работы латерального торможения нейронов в мантии моллюска.
Если клетки, выдающие пигмент, подавляют секрецию пигмента в примыкающих клетках, но не у себя, одна и та же схема распределения "строительного раствора" повторяется изо дня в день, генерируя полосу, перпендикулярную растущему краю раковины. Если так же действуют секреторные клетки, производящие карбонат кальция, — появляются гребни.
Учёные отмечают, что по мере роста размеров раковины гребни и полосы делятся (ветвятся), оставаясь каждый (-ая) той же ширины, что и ранее. Это обусловлено чисто математически — физический размер регионов ингибирования нейронов в любом месте идентичен.
Полосы, параллельные краю раковины, создатели модели объяснили ингибированием секреторной деятельности клеток в предстоящем (с отсрочкой). Пигмент, обретенный в один день, может сдерживать работу секреторных клеток в течение нескольких следующих дней, в конечном итоге создавая эффект включения/выключения краски, приводящий к серии полос.
Более же интересны, сообщается в пресс-релизе института, модели, которые генерируют зигзаги, алмазы, шевроны, наконечники стрел и т.д.. Это происходит, когда имеющийся пигмент подавляет секрецию на этом же участке, только в будущем, но возбуждает секрецию в окружающих клетках. Пятна пигмента, таким образом, "движутся" вбок изо дня в день по мере роста моллюска, производя нечто вроде бегущей волны. А интерференция таких волн и порождает сложные узоры.
Работа американских учёных должна оказаться полезной слету для нескольких направлений в био исследованиях. Ведь то же латеральное торможение является принципным принципом работы нейронных сетей вообще, а не только системы зрительного восприятия. А конкретно, оно участвует в регуляции высшей нервной деятельности, в механизме работы памяти и даже в развитии эмбриона и специализации клеток растущего организма.
Так выходит, что простые принципы, открытые Махом чуть не полтора века назад, оказались применимы для описания сложных устройств так, кажется, непохожих друг на друга: от зрительных иллюзий до работы мозга и "рисования" всё тех же "картин" на боках моллюсков.
Сами исследователи желают применить открытые ими закономерности к ещё одной задачке из области морской живности. Процессы, подобные проявлению рисунка на раковине, только идущие несравненно быстрее, отвечают за перемены цвета каракатиц, время от времени играющих красками, будто бы стробоскоп — считает Остер.
Такая вот широта применений способа. Но стоит удивляться? Во всех красивых вещах находится некая гармония, которая, может быть, описывается общими формулами. Красота устройства природы проступает во неограниченном количестве образов. Моллюски — только пример. Недаром один из создателей этой работы — Биттайгер — заявил, что единственной наградой в ней было эстетическое чувство, чувство красоты всего проекта.
Источник : www.membrana.ru
Похожие статьи:
