Elucidarea camuflajului de sepie

Elucidarea camuflajului de sepie

O sepie comună (Sepia officinalis). Credit: MPI for Brain Research / Stephan Junek

Capacitatea unică a sepielor, calmarilor și caracatițelor de a se ascunde prin imitarea culorilor și texturii mediului lor i-a fascinat pe oamenii de știință din natură încă de pe vremea lui Aristotel. Unic printre toate animalele, aceste moluște își controlează aspectul prin acțiunea directă a neuronilor asupra pixelilor expandabili, numărați în milioane, localizați în pielea lor. Oamenii de știință de la Institutul Max Planck pentru Cercetarea Creierului și Institutul de Studii Avansate din Frankfurt / Universitatea Goethe au folosit această corespondență neuron-pixel pentru a cerceta în creierul sepiei, deducând structura presupusă a rețelelor de control prin analiza dinamicii modelului pielii.

Sepia, calmarul și caracatița sunt un grup de moluște marine numite cefalopode coleoide care includeau cândva amoniți, cunoscuți astăzi doar ca fosile spiralate din epoca Cretacic. Cefalopodele coleoide moderne și-au pierdut învelișul extern cu aproximativ 150 de milioane de ani în urmă și au luat un stil de viață pradător din ce în ce mai activ. Această dezvoltare a fost însoțită de o creștere masivă a dimensiunii creierului lor: sepia și caracatița moderne au cel mai mare creier (față de dimensiunea corpului) dintre nevertebrate cu o dimensiune comparabilă cu cea a reptilelor și a unor mamifere. Ei folosesc aceste creiere mari pentru a realiza o serie de comportamente inteligente, inclusiv capacitatea singulară de a-și schimba modelul pielii pentru a se camufla sau a se ascunde în împrejurimile lor.

Cefalopodele controlează camuflajul prin acțiunea directă a creierului lor asupra celulelor specializate ale pielii numite cromatofori, care acționează ca „pixeli” biologici de culoare pe un ecran moale al pielii. Sepiele posedă până la milioane de cromatofori, fiecare dintre acestea putând fi extins și contractat pentru a produce modificări locale ale contrastului pielii. Prin controlul acestor cromatofori, sepia își poate transforma aspectul într-o fracțiune de secundă. Ei folosesc camuflajul pentru a vana, pentru a evita pradatorii, dar si pentru a comunica.

Pentru a se camufla, sepia nu se potrivește pixel cu pixel cu mediul local. În schimb, ei par să extragă, prin viziune, o aproximare statistică a mediului lor și să folosească aceste euristici pentru a selecta un camuflaj adaptiv dintr-un repertoriu presupus mare, dar finit de modele probabile, selectate de evoluție. Soluțiile biologice la această problemă de potrivire statistică sunt necunoscute. Dar pentru că sepia o poate rezolva imediat ce eclozează din ou, soluțiile lor sunt probabil înnăscute, încorporate în creierul sepiei și relativ simple. O echipă de oameni de știință de la Institutul Max Planck pentru Cercetarea Creierului și la Institutul de Studii Avansate din Frankfurt (FIAS) / Universitatea Goethe, condusă de directorul MPI Gilles Laurent, a dezvoltat tehnici care încep să dezvăluie acele soluții.






O nouă tehnică le permite cercetătorilor să studieze funcționarea interioară a creierului unei sepie prin urmărirea celulelor care schimbă culoarea din pielea lor. Aceste celule sunt controlate direct de neuronii care se extind din creier. Prin monitorizarea celulelor cu camere de înaltă rezoluție, cercetătorii pot urmări activitatea a zeci de mii de neuroni simultan, pentru prima dată. Credit: Societatea Max Planck

Cromatoforele de sepie sunt celule specializate care conțin un sac elastic de granule de pigment colorate. Fiecare cromatofor este atașat de mușchii radiali minuscul, ei înșiși controlați de un număr mic de neuroni motori din creier. Când acești neuroni motori sunt activați, ei provoacă contractarea mușchilor, extinzând cromatoforul și afișând pigmentul. Când activitatea neuronală încetează, mușchii se relaxează, sacul elastic de pigment se micșorează înapoi și pielea subiacentă reflectorizante este dezvăluită. Deoarece cromatoforii unici primesc input de la un număr mic de neuroni motori, starea de expansiune a unui cromatofor ar putea oferi o măsurare indirectă a activității neuronului motor.

„Ne-am propus să măsurăm producția creierului simplu și indirect, imaginând pixelii de pe pielea animalului”, spune Laurent. Într-adevăr, monitorizarea comportamentului sepiei cu rezoluția cromatoforului a oferit o oportunitate unică de a „imagina” indirect populații foarte mari de neuroni la animalele care se comportă liber. Postdoc Sam Reiter de la Laurent Lab, primul autor al acestui studiu, și coautorii săi au dedus activitatea neuronului motor analizând detaliile co-fluctuațiilor cromatoforelor. La rândul lor, analizând covariațiile acestor neuroni motori deduși, aceștia ar putea prezice structura unor niveluri și mai înalte de control, „imaginând” din ce în ce mai profund în creierul sepiei prin analiza statistică detaliată a ieșirii sale cromatofore.

Pentru a ajunge acolo a fost nevoie de mulți ani de muncă grea, câteva perspective bune și câteva pauze norocoase. O cerință cheie pentru succes a fost să reușești să urmărești zeci de mii de cromatofori individuali în paralel la 60 de imagini de înaltă rezoluție pe secundă și să urmărești fiecare cromatofor de la o imagine la alta, de la un model la altul, de la o săptămână la alta. apoi, pe măsură ce animalul respira, s-a mișcat, și-a schimbat aspectul și a crescut, inserând constant noi cromatofori. O perspectivă cheie a fost „realizarea faptului că aranjamentul fizic al cromatoforilor pe piele este suficient de neregulat încât să fie unic la nivel local, oferind astfel amprente locale pentru cusătura imaginii”, spune Matthias Kaschube de la FIAS / GU. Prin compararea iterativă și pe bucăți a imaginilor, a devenit posibilă deformarea imaginilor astfel încât toți cromatoforii să fie aliniați corespunzător și urmăribili, chiar și atunci când dimensiunile lor individuale diferă – așa cum se întâmplă atunci când modelele pielii se schimbă – și chiar și atunci când au apărut noi cromatofori – așa cum se întâmplă de la unul. de la o zi la alta pe măsură ce animalul crește.

Cu perspective precum aceasta și ajutată de mai multe supercomputere, echipa lui Laurent a reușit să-și atingă obiectivul și, cu aceasta, a început să cerceteze creierul animalului și sistemul său de control al camuflajului. Pe parcurs, au făcut și observații neașteptate. De exemplu, atunci când un animal își schimbă aspectul, se schimbă într-un mod foarte specific printr-o secvență de modele intermediare precis determinate. Această observație este importantă deoarece sugerează constrângeri interne asupra generării modelelor, dezvăluind astfel aspecte ascunse ale circuitelor de control neuronal. Ei au descoperit, de asemenea, că cromatoforii își schimbă în mod sistematic culorile în timp și că timpul necesar pentru această schimbare se potrivește cu rata de producție a noilor cromatofori pe măsură ce animalul crește, astfel încât fracția relativă a fiecărei culori rămâne constantă. În cele din urmă, din observarea acestei dezvoltări au derivat reguli minime care ar putea explica morfogeneza pielii la aceasta și, eventual, la toate celelalte specii de cefalopode coleoide.

„Acest studiu deschide o gamă largă de întrebări și oportunități noi”, spune Laurent. „Unele dintre acestea se referă la percepția texturii și sunt relevante pentru domeniul în creștere al neuroștiinței cognitive computaționale; altele ajută la definirea legăturii precise dintre activitatea creierului și comportament, un domeniu numit neuroetologie; altele ajută încă la identificarea regulilor celulare de dezvoltare implicate în morfogeneza țesuturilor. În cele din urmă, această lucrare deschide o fereastră către creierul animalelor a căror descendență s-a despărțit de a noastră cu peste 540 de milioane de ani în urmă.Creierul de cefalopode oferă o oportunitate unică de a studia evoluția unei alte forme de inteligență, bazată pe o istorie complet independentă de descendența vertebratelor pentru peste jumătate de miliard de ani.”


Studiul demonstrează că pielea caracatiței posedă același mecanism celular de detectare a luminii ca și ochii săi


Mai multe informatii:
Sam Reiter și colab. Elucidarea controlului și dezvoltării modelării pielii la sepie, Natură (2018). DOI: 10.1038 / s41586-018-0591-3

Furnizat de Societatea Max Planck

Citare: Elucidating cuttlefish camouflage (2018, 18 octombrie) preluat la 26 februarie 2022 de la https://phys.org/news/2018-10-elucidating-cuttlefish-camouflage.html

Acest document este supus dreptului de autor. În afară de orice tranzacție echitabilă în scopul studiului sau cercetării private, nicio parte nu poate fi reprodusă fără permisiunea scrisă. Conținutul este oferit doar în scop informativ.

Leave a Comment

Adresa ta de email nu va fi publicată.