Зубатые киты используют звук для ориентации в пространстве, обнаружения объектов и ловли рыбы. Они могут исследовать окружающую среду, издавая щелчки, а затем декодируя «эхо-сигналы», которые возникают, когда щелчки отражаются от объектов и возвращаются в их уши. Этот «биосонар», называемый эхолокацией, редко встречается в животном мире.
Новое исследование, проведённое учёными из Океанографического института Вудс-Хоул, Нью-Колледжа Флориды, Калифорнийского университета в Беркли и Оксфордского университета, опубликовано в журнале PLOS One и приближает нас к пониманию того, как мозг дельфинов эволюционировал для поддержки эхолокации.
Исследовательская группа применила новые методы картирования сетей в мозге мёртвых китов, выброшенных на берег, чтобы изучить и сравнить слуховые пути у эхолоцирующих дельфинов и неэхолоцирующего усатого кита, называемого сейвалом. Партнёрство с Международным фондом защиты животных (IFAW) и другими организациями имеет решающее значение для продвижения этой работы.
Усатые киты не имеют зубов, но у них и дельфинов есть общий предок, и оба вида полагаются на сложное вокальное общение в тёмной подводной среде. В то время как дельфины развили эхолокацию, усатые киты этого не сделали. Опубликованные данные впервые сравнивают мозговые сети дельфинов и усатых китов и открывают новое понимание того, как мозг эволюционировал для поддержки активной эхолокации. Результаты показывают, что эхолокацию дельфинов можно сравнить с «ощупыванием» звуком, а не с «видением» звуком.
Согласно Софи Флем, ведущему автору и студентке первого класса программы магистратуры по морским млекопитающим в Нью-Колледже Флориды, «Наше исследование было направлено на понимание того, как пути передачи слуховой информации различаются у эхолоцирующих и неэхолоцирующих китов. У людей, приматов, грызунов и собак у нас есть хорошо установленные карты того, какие части мозга отвечают за какой вид обработки. У дельфинов таких карт пока нет, а их мозг поразительно отличается от мозга наземных животных».
Чтобы обойти эту проблему, исследователи проследили пути, выходящие из части среднего мозга, называемой нижним двухолмием. Эта двусторонняя структура (одна слева и одна справа) является общей для всех видов и служит перевалочным пунктом для слуховой информации, поступающей из уха и идущей выше в мозг. Кроме того, у дельфинов ранее было показано, что оно значительно больше по сравнению с общим размером мозга, чем у большинства наземных видов. Используя эту нейронную «узкую точку», авторы смогли уверенно проследить путь слуховой информации в мозге дельфина, даже в значительной степени неизученной коре головного мозга.
Результаты были неожиданными. Учитывая, что и дельфины, и усатые киты полагаются на чувствительный слух для общения, но только дельфины используют эхолокацию, можно было бы ожидать, что у дельфинов будут гораздо более сильные слуховые проекции. Однако, хотя дельфины показали больше проекционных участков в коре головного мозга, чем сейвал, корковые проекции дельфинов не были сильнее. Дельфины показали гораздо более сильные связи, чем сейвал, в нисходящих путях, идущих от нижнего двухолмия к мозжечку. Это даёт намёки на то, как дельфины эхолоцируют.
«Хотя нейробиологи раньше считали, что мозжечок в основном является центром контроля баланса и моторики (мышц/движений), новые данные убедительно свидетельствуют о том, что он служит центром интеграции сенсорной и моторной информации, а также, что важно, центром быстрого прогнозирования», — сказал Питер Тэйк, заслуженный научный сотрудник в области биологии в Океанографическом институте Вудс-Хоул и соавтор исследования.
Чтобы исследовать свой мир с помощью эхолокации, животные должны направить голову в интересующем их направлении и издать эхолокационный щелчок узким лучом. «Представьте себе, что вы нащупываете выключатель света в тёмной комнате или используете осязание, чтобы выяснить, какой объект находится в тёмном пакете», — сказал Тэйк.
«Дельфины используют эхолокацию для взаимодействия со своим миром, и, в отличие от слуха и зрения, они должны производить энергию, которая затем возвращается к их сенсорным рецепторам — эхолокацию составляет часть слуха и часть вокализации. Представьте себе, как вы двигаете рукой, чтобы почувствовать прикосновение, которое позволит вам найти выключатель света, аналогично дельфины перемещают свой эхолокационный луч, чтобы получить обратную связь, необходимую им для функционирования в тёмной подводной среде», — добавил Тэйк.
Более сильные проекции от нижнего двухолмия к мозжечку могут помочь эхолокаторам интегрировать слуховую информацию с планированием производства и направления эхолокационных щелчков для исследования окружающей среды.
Получение изображений этих мозгов само по себе было техническим препятствием. Хотя давно известно, что диффузионная визуализация мозга работает на мёртвых мозгах, она даёт шумные изображения низкого качества. Размер также является важным фактором — гигантский мозг сейвала, использованный в этом исследовании, был почти в три раза больше человеческого мозга, что создавало ряд осложнений.
Эти технические препятствия были преодолены Карлой Миллер из Оксфорда, которая за последние 10 лет разработала и усовершенствовала новые последовательности визуализации, значительно повышающие отношение сигнал/шум при диффузионной визуализации мозга, и Беном Инглисом из Калифорнийского университета в Беркли, который неустанно оптимизировал протоколы сбора данных.
Результаты потрясающие, говорит старший автор Питер Кук, доцент кафедры науки о морских млекопитающих в Нью-Колледже Флориды: «Сравнительные нейробиологи давно хотели изучить закономерности связей в мозге дельфинов и китов, полагая, что уникальная эволюционная история этих видов даст новое понимание того, как развивается мозг. Технология наконец появилась, чтобы начать вскрывать эти загадочные нервные системы и выяснить, как они работают».
Изучив пути передачи слуха у этих видов, команда добавляет всё больше мозгов, включая новые мозги усатых китов, и в дальнейшем надеется изучить пути, связанные с вокальным воспроизведением. По словам Кука, «Считается, что нейронный контроль голосового вывода полностью изменился у дельфинов, когда они развили свой уникальный носовой голосовой аппарат. Теперь мы можем составить карту голосового контроля у дельфинов и выяснить, чем он отличается от контроля у усатых китов».
«Обе группы животных обладают редкой способностью к обучению новому вокальному поведению, а голосовые системы дельфинов являются одними из самых странных в животном мире. Теперь, когда мы можем этично заглянуть внутрь мозга этих животных, они только начинают учить нас», — заключает Кук.
Предоставлено:
* [Океанографический институт Вудс-Хоул](https://phys.org/partners/woods-hole-oceanographic-institution/)