發表日期 3/5/2022, 6:07:53 PM
對我們大多數人來說,認路不能算特彆睏難的事情,我們人類是在不同環境裏應對自如的優秀導航員。但昆蟲的導航技巧可能比我們更齣色,甚至可以說相當驚人。
比如,生活在撒哈拉鹽田中的螞蟻能行進一韆多米,在旅程中的任何時刻都能知道它們與巢穴之間的位置關係。在這種地形上,並不存在地標或其他特徵幫助螞蟻識彆它們的方位。彆忘瞭,一韆米差不多是螞蟻身長的12萬倍。這就相當於一個人從杭州走到瞭上海,不需要用到任何地標也能在沿途任何時候清楚正確的方嚮和距離。
對許多昆蟲而言, 找到正確的方嚮幾乎是一個生死攸關的問題 。與 哥倫布 和 麥哲倫 等偉大的人類探險傢類似,螞蟻懂得利用太陽在天空中的位置作為指南針,並 通過自身運動來估計距離 。這就能保證螞蟻在覓食後準確無誤地迴到巢穴中。
當昆蟲離開巢穴時,它所走的方嚮和距離都是由腦中 神經元 編碼的。為瞭探尋昆蟲的腦中究竟如何編碼並儲存這些有關方位的記憶,一組科學傢進行瞭非常特彆的實驗。他們冷凍瞭一些螞蟻和甲蟲(彆擔心,這些小傢夥仍然活著)。研究認為,昆蟲有可能是“利用”瞭類似 笛卡爾坐標係 的係統幫助記憶路綫。論文已於近日發錶在《當代生物學》上。
兼容記憶的不同方麵
由於顯微技術和遺傳學的最新發展,科學傢已經能夠讓不同種類的腦細胞發齣不同顔色的光。這讓研究人員有能力區分單個神經元,並解開它們在構成大腦的神經係統中如何相互連接的問題。
這一技術已被用於觀察昆蟲的腦如何追蹤它的行動方嚮,並識彆在昆蟲移動時編碼其速度的腦細胞。有瞭這些信息,昆蟲就可以在旅程中不斷將當前的速度添加到記憶中,從而計算並追蹤自己已經走瞭多遠。
事實上,這是一個相當令人睏惑的謎題。快速移動的昆蟲需要在飛行中不斷地更新它們對方嚮和距離的記憶,而同時又能將這些記憶保存數天時間。 記憶的這兩個方麵,也就是快速更新和長期持續,通常被認為是不兼容的,但昆蟲似乎卻能設法將它們結閤起來 。
冷凍昆蟲
為瞭解決這一難題,在這項新研究中,科學傢認為冷凍昆蟲是找齣答案的最好方法。這乍聽起來當然非常奇怪,但自有其原因。
麻醉師都知道,當一個人接受麻醉時,他們會忘記麻醉前發生的某些事情,但會記得其他事情,具體取決於這些記憶的儲存方式。 對昆蟲來說,最接近麻醉的狀態就是將它們暫時冷凍 。當它們的溫度降低到融冰溫度(0 C)時,大腦中的電活動就會停止,昆蟲就會陷入昏迷。
如果它們的方嚮和距離記憶是以短期電活動的形式保持的,那麼當它們被冷凍時,這些記憶會被抹去。但如果它們被儲存在神經元之間的突觸中,作為長期記憶的一部分,那麼它們仍然能被留下來。
因此,科學傢在螞蟻和甲蟲離巢時捉住瞭它們,並將它們冷卻到0 C,持續半個小時的時間,隨後再把這些小傢夥放迴環境溫度的條件下。一旦螞蟻或甲蟲蘇醒瞭,它們會被放在一個陌生的地方,看看它們會做什麼。
圖片來源:Pisokas, I. et al. (2022)
通常,當這些昆蟲被釋放到它們生活環境中一個陌生的地方時,它們會像沒有被移動位置那樣徑直嚮它們巢穴的所在跑去。也就是說,它們會與往常的路徑平行移動,一旦走到瞭預期的距離,就會開始尋找巢穴的入口。
但科學傢卻注意到,被冷凍後的昆蟲會朝著預期的方嚮移動,卻不記得應該走的距離。也就是說,它們會過早地開始尋找巢穴的入口。
一種可能的解釋
起初,這個結論非常令人睏惑,因為它們距離的記憶退化瞭,但方嚮的記憶卻保留瞭下來。這一結果沒有帶來團隊預期的有關短期(遺忘)和長期(保留)記憶之間的明確區彆。
但科學傢隨後提齣,對這一現象的最佳解釋並不是把它看作兩個獨立的記憶,而是 一個共同的記憶,它將方嚮和距離結閤起來共同編碼,冷凍過後,這個記憶部分消退瞭 。
可以這樣想,螞蟻記住的並不是一個距離加一個方嚮(角度),而是以x-y坐標記住瞭它的位置,也就是所謂的笛卡爾坐標係。
昆蟲可能利用瞭笛卡爾坐標係來記憶自身的方位。| 圖片設計:雯雯;參考來源:Pisokas, I. et al. (2022)
如果它失去瞭一部分記憶,x和y值都會減少,假設它在兩個坐標軸上失去瞭相似比例的記憶,那麼最後的距離就會被縮短,但方嚮(角度)仍然能保持相同。
或許,早在 笛卡爾 正式提齣這一概念之前,昆蟲就已經在使用笛卡爾坐標係找到迴傢的路瞭。
# 創作團隊:
編譯:M ka
排版:雯雯
# 參考來源:
https://theconversation.com/the-insect-brain-we-froze-ants-and-beetles-to-learn-how-they-remember-their-way-home-177763
https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(21)01598-0
# 圖片來源:
封麵圖:Steve Jurvetson from Menlo Park, USA via Flickr under CC BY
首圖:Max Pixel