Как крошечные движения клеток ускоряют зрение насекомых? Отвечает наука

Каждый, кто пытался прихлопнуть муху, знает: она уворачивается за доли секунды, словно предвидит удар. Международная группа учёных под руководством профессора Микко Юусола из Университета Шеффилда собрала доказательства того, что невероятная скорость насекомых объясняется не только электрическими сигналами в нейронах, но и физическими движениями внутри сенсорных клеток. Обзор опубликован в журнале Physics of Life Reviews, а его краткое изложение приводится на научном портале Phys.org.

Почему муха уворачивается от газеты

Любой, кто хоть раз замахивался на муху, помнит разочарование: ладонь хлопает по пустому столу, а насекомое уже сидит на потолке. Долгое время биологи объясняли такую реакцию простой схемой: свет попадает на сетчатку, рецепторы превращают его в электрические импульсы, а нейроны быстро передают сигнал к мышцам. В этой модели нервная система напоминает жёсткую электрическую цепь, где каждый элемент закреплён на своём месте.

Однако такой взгляд не объясняет главного. Муха успевает отреагировать на движение газеты быстрее, чем человек осознаёт собственный замах. При этом её мозг содержит всего около ста тысяч нейронов, тогда как человеческий — почти сто миллиардов. Значит, дело не только в количестве клеток, но и в том, как они устроены и как работают.

Статичные модели не объясняют скорость

В классической нейробиологии сенсорные клетки часто описывают как фиксированные приёмники, которые лишь преобразуют внешние стимулы в электричество. Считалось, что форма клетки постоянна, а сигнал распространяется по неизменным путям, словно ток по проводам. Но животные не стоят на месте: они активно двигаются, поворачивают голову, бегут, и эти движения сами становятся частью восприятия.

Исследование, объединившее данные визуальных экспериментов и биологических компьютерных моделей, показывает: клетки, отвечающие за зрение, тоже движутся и меняют форму. Эти микроскопические изменения помогают насекомым эффективнее собирать визуальную информацию и обрабатывать её с минимальной задержкой. Получается, что восприятие — это не пассивная регистрация картинки, а активный процесс, в котором участвует всё тело.

Микроскопическое движение внутри клеток

Микко Юусола и его коллеги утверждают, что ключ к сверхбыстрому восприятию — в согласованной работе движений разного масштаба. Животное перемещается и ориентируется в пространстве, а внутри его сенсорных клеток и нейронов происходят едва заметные подвижки: меняется форма мембран, перестраиваются белковые структуры, микронити сокращаются и расслабляются.

«Ключ — в согласованном действии движений разного масштаба. Животные активно двигаются, чтобы чувствовать окружающий мир, а микроскопические структуры внутри их сенсорных клеток и нейронов тоже движутся и меняют форму».

Эти процессы работают вместе, позволяя мозгу получать больше информации с минимальной задержкой. По мнению авторов, такая координация развивалась эволюционно: движения тела и клеточные перестройки подстраивались друг под друга, чтобы восприятие, поведение и мысль оставались синхронизированными.

Эволюция движений и восприятия

В статье предложена новая концептуальная рамка: движение и обработка сигналов образуют непрерывный цикл. Сначала перемещение тела меняет поток сенсорной информации, затем клеточные изменения уточняют её, и уже на основе этого мозг планирует следующее действие. Получается замкнутая петля, в которой каждый элемент влияет на другой.

Авторы подчёркивают, что тело и нервная система не могли развиваться по отдельности. Форма глаз, расположение рецепторов и даже скорость мышц — всё это эволюционировало вместе с механизмами обработки сигналов. Именно поэтому муха так точно рассчитывает траекторию полёта, а человеку для аналогичной реакции нужно заметно больше времени.

От скорости к смыслу сигнала

Быстрая реакция — лишь половина успеха. Мозг должен понять, что именно он видит: приближается ли хищник, где находится укрытие, какой запах доносится ветром. Профессор Колумбийского университета Орельен Лазар, соавтор работы, отмечает, что семантическая информация — то, что сигнал означает для животного, — играет всё более важную роль в нейронном кодировании.

«Быстрое восприятие — только часть истории. Нейронные сети должны также определить, что представляют собой сенсорные сигналы: какой запах присутствует, какой объект приближается и что это значит для следующего действия животного», — поясняет Лазар. По мере прохождения информации по сетям мозга она всё больше организуется вокруг объектов, событий и их значения для поведения.

Куда приведут эти открытия

Прикладной потенциал исследования огромен. Если биологические принципы — движение клеток, динамическая обработка сигналов — удастся перенести в технику, можно создать зрительные протезы, которые работают быстрее и точнее современных. Энергоэффективный искусственный интеллект, роботы и автоматические автомобили, адаптирующиеся к движущемуся миру, — вот лишь несколько возможных направлений.

Среди перспективных применений можно выделить:

• устройства для восстановления зрения, учитывающие микродвижения глаза;
• нейроморфные чипы, имитирующие физическую пластичность нервных клеток;
• системы компьютерного зрения для беспилотных автомобилей;
• алгоритмы ИИ, обучающиеся на принципах биологической экономии энергии.

Каждое из этих направлений потребует совместной работы биологов, инженеров и программистов. Но именно такие междисциплинарные проекты чаще всего приводят к прорывам.

Если движение клеток действительно помогает мозгу работать быстрее, возможно, следующая революция в робототехнике начнётся с изучения того, как муха просчитывает путь до потолка. Сможет ли человек когда-нибудь сравняться с насекомым в скорости реакции? Ответ, вероятно, лежит не в увеличении мощности процессоров, а в умении заставить их двигаться.