Шмели с плотным мозгом оказались сообразительнее собратьев
Но верно и обратное: обучение более сложным задачам делает синаптические комплексы плотнее. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the Royal Society B.
Известно, что синаптическая пластичность важна для успешного обучения. Однако индивидуальные когнитивные способности могут значительно отличаться, и как это происходит с точки зрения синаптического устройства индивида, не до конца понятно. Предыдущие исследования интеллекта насекомых обнаружили синаптические изменения, связанные с возрастом. На этот раз ученые решили проследить связи между индивидуальной скоростью обучения, долгосрочной памятью, сложностью задачи, и изменениями в плотности структур мозга на примере земляных шмелей (Bombus terrestris).
Ученые провели ряд экспериментов, в которых шмели учились распознавать цвета: в экспериментальной камере располагалось 20 либо цветных, либо прозрачных платформ, на которых находилась сладкая или горькая вода. В некоторых экспериментах ученые использовали только два цвета, в других — десять разных цветов. Через два дня после фазы обучения следовала фаза проверки памяти, которая проходила точно в таких же условиях, что и тренировка, только с обычной водой. Десять цветов — достаточно много, чтобы проследить индивидуальные отличия в скорости обучения и точности памяти. После теста на память насекомых собирали для исследования структур мозга: ученые извлекали мозг, имуноокрашивали пресинаптичекие терминалы и измеряли их плотность и размер чашевидной полости. За обучение насекомых отвечают грибовидные тела, главным образом чашевидная полость, которая принимает сенсорные сигналы и состоит из нескольких участков. Визуальную информацию получает «воротник», а запахи из антенной доли поступают в «губу». Экспериментаторы очищали экспериментальную камеру после каждого посещения ее насекомым, чтобы исключить влияние запахов.
(a) Мозг взрослого шмеля, (b) «воротник» выделен пунктирной линией, (c) плотность скопления дендритов в «воротнике», (d) схема экспериментальной камеры. Li Li et al., Proceedings of the Royal Society B, 2017
Дизайн первого эксперимента позволял изучить связь памяти каждой особи с плотностью структур мозга: шмели проходили обучение, в результате которого с почти стопроцентной точностью садились на «сладкие цвета» (пять цветных платформ), избегая горькие (другие пять платформ). Через два дня в тех же условиях насекомые проходили тест. Второй эксперимент повторял первый, но шмелей собирали уже после фазы обучения, менее, чем через час, чтобы не позволить новым синапсам сформироваться. Это нужно было, чтобы сопоставить скорость обучения с плотностью мозга еще до того, как обучение его изменило.
По результатам первого эксперимента обнаружилась корреляция: чем лучше особь проходила тест на долговременную память с десятью цветами, тем плотнее был ее «воротник» (p < 0.0001), но плотность «губы» и объем чашевидной полости особей не отличался. По результатам второго эксперимента удалось установить положительную корреляцию между плотностью «воротника» и скоростью обучения (p = 0.0069).
Однако знакомство с широкой цветовой гаммой само по себе могло иметь эффект, как и разница в приложенных усилиях. Поэтому в третьем эксперименте ученые сформировали три группы шмелей: контрольная, она не сталкивалась с цветами, две другие остались учиться различать два и десять цветов, соответственно. «Двухцветная» группа сделала пять подходов, а «десятицветная» прошла ту же процедуру, что и в первом эксперименте. Обе группы, кроме контрольной, прошли тест на память. В четвертом эксперименте шмелей также разделили на три группы: первая проходила обычную процедуру обучения 10 цветам, вторая собирала нектар на бесцветных платформах, а третья столкнулась с 20 цветными платформами и пятью бесцветными, но нектар был только на бесцветных, так что необходимости различать цвета у них не было. Все три группы сделали равное количество подходов.
И снова группа, изучившая 10 цветов, имела значительно более плотный «воротник», чем группа, вообще не изучавшая цвета (p = 0.0156). Однако разница была найдена и в объеме чашевидной полости у этих двух групп (p = 0.0011). В четвертом эксперименте две группы из трех получили одинаковый объем цветовой информации, но лишь одна прошла сложное цветовое обучение. В итоге, разница в плотности «воротника» была найдена только для группы, прошедшей обучение по сравнению с группой, которая вообще не сталкивалась с цветовой информацией (p = 0.0143). Шмели, которые видели цвета, но не выучили их, продемонстрировали промежуточный результат. Объем чашевидной полости оказался одинаковым для всех трех групп.
Поскольку между группой, которая только получила цветовую информацию и группой, которая училась различать цвета, значимой разницы в плотности не оказалось, это может говорить о том, что простое знакомство с цветовой информацией способно увеличить плотность соответствующих структур мозга. А отсутствие отличий в объеме чашевидной полости у участников четвертого эксперимента может говорить о влиянии опыта сбора нектара.
Плотные «воротники» означают более функциональные синапсы в регионе, который отвечает за цветовое восприятие, и, по мнению авторов, плотность могла поспособствовать скорости обучения и запоминанию. О том, насколько обучение меняет плотность и способствует запоминанию, сказать сложно, так как ученые не нашли значимой разницы между средней плотностью мозга сразу после обучения и средней плотностью мозга после проверки памяти. Эксперименты три и четыре свидетельствуют о том, что обучение меняет мозг, но, возможно, индивидуальные различия в его плотности играют более значимую роль, чем обучение.
В то время как плотность мозга связана с памятью и со скоростью обучения, скорость обучения не коррелирует с успехами в тесте на запоминание в первом эксперименте. Возможно, обучение по-разному сказалось на плотности мозга разных индивидов. Также результаты в целом свидетельствуют о том, что знакомство с широкой цветовой гаммой и, тем более, обучение новым цветам, приводит к уплотнению соответствующих структур мозга.