Odszyfrowanie, w jaki sposób nietoperze rozróżniają dźwięki na potrzeby nawigacji i komunikacji

Nietoperze żyją w świecie dźwięków. Używają wokalizacji do komunikowania się ze swoimi osobliwościami i nawigacji. W przypadku tych drugich emitują dźwięki w zakresie ultradźwiękowym, które rezonują i umożliwiają im utworzenie „obrazu” otoczenia. Neurolodzy z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie odkryli teraz, w jaki sposób nietoperz ceiba, gatunek występujący w Ameryce Południowej, jest w stanie odfiltrować ważne sygnały z dźwięków otoczenia, zwłaszcza rozróżnienie między echolokacją a wezwaniami kontaktowymi.

Nietoperz ceiba krótkoogoniasty (Karolina perspicillataŻyje w lasach subtropikalnych i tropikalnych Ameryki Środkowej i Południowej, gdzie żywi się głównie owocami pieprzu. Zwierzęta spędzają dni w grupach liczących od 10 do 100 osobników w wydrążonych pniach i skalistych jaskiniach, a nocą wspólnie wyruszają na poszukiwanie pożywienia. Komunikują się za pomocą dźwięków, które tworzą charakterystyczny hałas otoczenia w kolonii – jak rozmowa głosów na tętniącej życiem imprezie. Jednocześnie nietoperze wykorzystują dźwięki do poruszania się po otoczeniu. Jest to zjawisko znane jako echolokacja, podczas którego emitują dźwięki ultradźwiękowe odbijające się od powierzchni stałych. Następnie zwierzęta łączą te echa w „obraz” otoczenia.

Ale w jaki sposób nietoperz Ceba odfiltrowuje ważne dźwięki ze stałego hałasu otoczenia? Jednym z powszechnych wyjaśnień jest to, że mózg stale oczekuje kolejnego sygnału i reaguje silniej na sygnał nieoczekiwany niż na sygnał oczekiwany. Nazywa się to wykrywaniem anomalii, a neurobiolodzy pod kierunkiem Johannesa Witkamma i profesora Manfreda Kossela z Grupy Roboczej Neurobiologii i Biosensorów w Instytucie Biologii Komórki i Neuronauki Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie badają mechanizmy tego zjawiska. Razem ze swoimi kolegami udało im się już wykazać w 2021 r., że przetwarzanie sygnałów nie rozpoczyna się w wysoko położonych obszarach mózgu, ale już w pniu mózgu, który odpowiada za kontrolowanie funkcji życiowych, takich jak oddychanie i tętno. Jednakże w badaniach tych wykorzystano jedynie sztuczne bodźce, które dla zwierząt były bez znaczenia.

W niedawno opublikowanym badaniu zespół kierowany przez Wetekama i Kössla powtórzył eksperymenty dotyczące komunikacji naturalnej i połączeń echolokacyjnych. „W naszym badaniu chcieliśmy dowiedzieć się, co dzieje się w przypadku wykrywania odchyleń, gdy nietoperzowi ceiba prezentowane są te bodźce, a nie bezsensowne bodźce, które już pojawiają się w jego świecie słuchowym” – podsumowuje Whitikam.

W tym celu pod skórę głowy nietoperzy wprowadzono dwie elektrody o grubości ludzkiego włosa, aby rejestrować ich fale mózgowe. Chociaż nie było to bolesne dla zwierząt, pomiary przeprowadzono w znieczuleniu ogólnym, ponieważ każdy ruch mógł zniekształcić wyniki.

Mózg nietoperza reaguje na dźwięki nawet wtedy, gdy zwierzę zostanie poddane sedacji i szybko zasypia. Następnie odtwarzano echolokację zwierząt lub odgłosy kontaktowe, przy czym każdy dźwięk był przeplatany drugim, z prawdopodobieństwem wystąpienia 10%.

Następnie na podstawie zmierzonych fal mózgowych można było odczytać, że pień mózgu inaczej przetwarza echolokację i wezwania kontaktowe. Chociaż rzadkie dźwięki echolokacyjne rzeczywiście wywoływały silniejsze sygnały niż częste sygnały – tj. wykazywały detekcję odchylenia – w przypadku dźwięków kontaktowych, prawdopodobieństwo ich wystąpienia nie miało wpływu na siłę reakcji.

Nietoperze mogą potrzebować szybszej reakcji podczas echolokacji niż podczas komunikowania się z gatunkami tego samego gatunku. Pień mózgu jest pierwszą stacją w mózgu, która odbiera sygnały akustyczne, dlatego w pierwszej kolejności konieczne może okazać się obliczenie prawdopodobieństwa wywołań echolokacyjnych, zwłaszcza ich echa, aby zwierzę mogło w porę ominąć przeszkody.

Profesor Manfred Kossel z Grupy Roboczej ds. Neurobiologii i Biosensorów, Instytut Biologii Komórki i Neuronauki Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie

Przypuszcza się, że silniejsza reakcja na rzadsze połączenia wynika z lepszej synchronizacji neuronowej.

Badanie wykazało również, że pień mózgu może wykorzystywać inne cechy nawoływań nietoperzy do wykrywania odchyleń, takich jak szybkie zmiany częstotliwości lub głośności, a także różnice w wysokości. „To niesamowite, ponieważ pień mózgu jest dość prymitywną częścią mózgu, a naukowcy nie sądzili wcześniej, że jest on w stanie w jakikolwiek istotny sposób zaangażować się w przetwarzanie sygnałów” – mówi Whitikam. „Widzieli jego rolę bardziej w odbieraniu sygnałów z nerwu słuchowego i przekazywaniu ich do obszarów mózgu wyższego poziomu”.

Odkrycia te mogą być również ważne w odniesieniu do zastosowań medycznych u ludzi. Na przykład przy badaniu chorób takich jak ADHD czy schizofrenia, które są związane z upośledzonym przetwarzaniem bodźców zewnętrznych, należy uwzględnić obszary mózgu znajdujące się na niskim poziomie. Fakt, że pień mózgu nietoperza w różny sposób przetwarza różne złożone sygnały audio, może również pomóc naukowcom zrozumieć, w jaki sposób mózg dekoduje i przetwarza złożoną mowę ludzką.