Нейробиологи из Германии отследили, как пигментные клетки на коже каракатиц, управляемые нейронами, генерируют сложные узоры камуфляжа. Для этого ученые разработали новый – безопасный для моллюсков – метод исследования, который поможет ученым лучше понять, как мозг контролирует поведение этих морских обитателей. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Каракатицы (Sepia officinalis) – мастера камуфляжа. Они изменяют свой внешний вид, чтобы слиться с окружающей средой и спрятаться от хищников. Эти моллюски меняют свое «одеяние», сокращая мышцы вокруг крошечных, окрашенных клеток кожи, называемых хроматофорами. Ячейки имеют несколько цветов и действуют как пиксели по всему телу каракатицы, которые меняют свой размер, чтобы «нарисовать» новый узор на коже животного. Причем каракатица не всегда точно копирует фон: на ее теле могут также появиться полосы, кольца, пятна или другие сложные узоры.

Смешивать и сочетать

Чтобы лучше понять, как каракатицы создают интересные рисунки по всему телу, нейробиолог Гилл Лоран (Gilles Laurent) из Института исследований мозга им. Макса Планка во Франкфурте (Германия), и его сотрудники создали систему из 20 видеокамер, которые схватывают 60 кадров в секунду, для съемки каракатиц. Камеры следили за тем, как меняется цвет кожи моллюска, когда он проплывал мимо фона: гравия или печатных изображений, которые исследователи помещали в аквариумы.

Запись началась вскоре после рождения каракатиц и продолжалась в течение нескольких недель. Команда Лорана разработала методы видеообработки, чтобы идентифицировать десятки тысяч отдельных хроматофоров на каждой каракатице, включая клетки, которые появились, когда животные подросли. Ученые использовали статистические инструменты для определения того, как разные хроматофоры действуют синхронно, чтобы изменить общую картинку на коже животного.

Предыдущие исследования показали, что каждый хромофор контролируется несколькими двигательными нейронами, которые передаются сигнал от мозга к мышцам кожи, и что каждый моторный нейрон контролирует несколько хроматофоров. Они, в свою очередь, объединяются в более крупные моторные системы, которые создают узоры по всему телу каракатицы.

В исследовании немецких нейробиологов показано, что животное связывает хроматофоры в группы разными способами, чтобы создать «лекало», которое имитирует геометрию его окружения. Выводы должны позволить исследователям работать «в обратном направлении», отталкиваясь от модели камуфляжа: чтобы определить пути, через которые нейроны в мозге каракатицы контролируют его окраску.

Мастера маскировки

Способность видеть внутреннюю работу мозга каракатицы, отраженной на ее коже, – при этом не разрезая животное, не прикрепляя к нему электроды и не обучая его вести себя определенным образом, также может помочь исследователям понять связь между работой мозга и поведением животного. Прямо сейчас, говорит Лоран, связь между тем, что видит каракатица, и тем, что она посылает моторным нейронам, является загадкой.

Ответ, вероятно, кроется в мозге, который обрабатывает как сигналы, поступающие от глаз, так и сигналы, которые отправляются хроматофорам. Геометрический узор лишь напоминает окружение каракатицы, вместо того, чтобы в точности его копировать – поэтому ученые считают, что нейробиологический путь между сигналами должен быть укорочен. Иначе для того, чтобы обработать весь массив визуальной информации, которая окружает моллюсков, им бы потребовался суперкомпьютер.

Лоран отмечает, что поиск этого пути может вдохновить на новые разработки исследователей, создающих искусственные нейронные сети. Например, для таких программы которые пытаются заполнить недостающую часть изображения, используя информацию из пикселей вокруг пробела.

Некоторые биологи подозревают, что другие биологические механизмы, такие как светочувствительные белки на коже каракатицы, также могут помочь мозгу моллюска сформировать сложные узоры на коже. Но это – начало уже другой истории.