Znajdź zawartość

Czemu tak trudno upolować muchę? Badacze z California Institute of Technology (Caltech) uważają, że dzieje się tak za sprawą szybko reagującego mózgu owada oraz jego zdolności do planowania zawczasu (Current Biology). Jednym słowem: mózg latającego przeciwnika jest zaprogramowany od urodzenia w taki sposób, by unikać pacnięć, klaśnięć i innych zamaszystych ruchów myśliwego... Nagrania w wysokiej rozdzielczości ujawniły, że owady błyskawicznie orientują się, skąd nadchodzi cios i opracowują plan ucieczki. Inżynierowie podpowiadają, że najlepszym sposobem na przechytrzenie muchy jest powolne podkradanie się, a nawet zastyganie w bezruchu i przewidywanie zmian trajektorii jej lotu. Człowiek przeprowadza atak w ciągu zaledwie 200 milisekund, ale to wystarczy, by mucha go zlokalizowała i aktywowała odpowiedni zestaw ruchów, by wypozycjonować nogi i skrzydła. To pokazuje, jak szybko mózg muchy przetwarza informacje zmysłowe i przygotowuje odpowiednią do okoliczności reakcję ruchową – twierdzi Michael Dickinson. Amerykanie prowadzili eksperymenty na muszkach owocowych. Próbowali w nie trafić łapką, wszystko utrwalając na filmie. Gdy zagrożenie pojawiało się z przodu, owad wysuwał środkową parę odnóży ku przodowi, nachylał się do tyłu i unosił tylne nogi, by wystartować ruchem wstecznym. Jeśli myśliwy z packą pojawiał się z boku, owad równie sprytnie wyginał się przed startem, przenosząc środek ciężkości i ostatecznie bez wysiłku unikał zagrożenia. Bioinżynierowie oceniają, że ustawienia przedstartowe zajmują musze zaledwie ok. 100 milisekund. Dlatego lepiej nie zaczajać się na nią, gdy siedzi. Odkryliśmy, że gdy mucha planuje ruchy przed wzniesieniem, uwzględnia swoją pozycję w momencie pierwszego dostrzeżenia zagrożenia. Nasze eksperymenty wykazały, że owad skądś wie, czy potrzeba większych, czy subtelniejszych zmian postawy. Musi więc integrować dane z oczu [...] z informacjami mechaniczno-czuciowymi z nóg. Muchy "zbierają się" do lotu błyskawicznie, bez względu na to, co w danym momencie robią: jedzą, dbają o higienę czy chodzą. Dickinson zaznacza, że wskazuje to na niespodziewaną złożoność mózgu owada.

Świeże wspomnienia krótkotrwałe często zanikają. Nie jest to jednak mózgowy wypadek przy pracy, ale celowe i istotne dla uczenia działanie. Uczenie aktywuje biochemiczne tworzenie wspomnień. Musisz jednak usuwać ślady pamięciowe, gdy pojawiają się nowe informacje. [Podczas badań na muchach] odkryliśmy, że zapominanie stanowi aktywny proces usuwania wspomnień – wyjaśnia Yi Zhong z Tsinghua University. Pekińscy naukowcy prześledzili przebieg tego procesu w ramach ścieżki molekularnej, dochodząc wreszcie do niewielkiego białka rac (należy ono do rodziny białek Rho, która reguluje szereg procesów w komórce, m.in. ruch, zmianę kształtu czy endo- i egzocytozę). Gdy mechanizm ten zablokowano, owady utrzymywały nowo powstałe wspomnienia o wiele dłużej, niż miałoby to zwykle miejsce. Psycholodzy spekulowali, czemu zapominamy. Zgodnie z jedną teorią, nowe wspomnienia są niestabilne i dlatego zanikają. Autorzy drugiej wspominali o nakładaniu nowych danych na wcześniejsze wspomnienia krótkotrwałe. Chińczycy twierdzą, że na poziomie molekularnym zjawiska te są tożsame. Zespół Zhonga wytresował muchy, by reagowały na dwa awersyjne zapachy. Aby wzmocnić niechęć do jednej z woni, podczas wąchania naukowcy porażali dodatkowo prądem odnóża owadów. W założeniu zwierzęta powinny unikać raczej zapachu połączonego z porażaniem prądem, postrzegając drugą woń jako relatywnie bezpieczniejszą. W pierwszym eksperymencie badacze przeprowadzali trening, po jego zakończeniu puszczali muchy samopas i później w różnych odstępach czasowych ponownie przeprowadzali testy (zakładali, że wspomnienia powinny naturalnie słabnąć). W drugim eksperymencie odwołano się do schematu nakładania, ponieważ zdecydowano się wprowadzić nowy zestaw zapachów. Na końcu naukowcy powrócili do pierwotnej wersji uczenia, zamieniając jednak zapach połączony z szokiem elektrycznym. Za każdym razem po jakimś czasie muchy zapominały, czego się nauczyły. Procesem tym kierowało białko rac. Włączało się ono, gdy wspomnienia owadów naturalnie słabły. Uruchamiało się jednak wcześniej, kiedy pojawiały się nowe informacje albo sprzeczne doświadczenia. Po zablokowaniu rac ślady pamięciowe zanikały wolniej – zamiast kilku godzin utrzymywały się nawet przez dzień. Po sztucznym podwyższeniu stężenia rac w neuronach wyparowywały zaś w mgnieniu oka. Mutacje w genach kodujących inne związki ścieżki molekularnej rac są u ludzi związane z upośledzeniem umysłowym.

Naukowcy od dłuższego czasu podejrzewali, że latające mikroroboty nie powinny naśladować helikopterów ani samolotów, a należy wzorować je na muchach - najlepszych lotnikach wśród owadów. Uznawano, że urządzenia powinny być napędzane trzepoczącymi skrzydłami podobnymi do skrzydeł muchy. David Lentink, holenderski inżynier lotnictwa i amerykański biolog Michael Dickinson, jeden z najlepszych na świecie ekspertów od lotu owadów, postanowili zbadać te przypuszczenia. Zbudowali duży model muchy, który zanurzyli w oleju i badali siły nośne wytwarzane podczas różnych scenariuszy. Ze zdumieniem dowiedzieli się, że prawda leży pośrodku. Okazało się, że robot wyposażony w musze skrzydła, które będą obracały się jak rotor śmigłowca, wytworzy taką samą siłę nośną jak w przypadku używania trzepoczących skrzydeł, jednak zużyje dwukrotnie mniej energii. Badania te pozwolą na skonstruowanie efektywnych energetycznie miniaturowych urządzeń latających, które zostaną wyposażone w wirujące musze skrzydła. Jak wyjaśnił Lentink, trzepoczące skrzydła marnują dużo energii na napędzanie powietrza w przód i w tył. Zarówno skrzydła trzepoczące jak i wirujące wytwarzają nawet dwukrotnie więcej siły nośnej niż wynika z teorii aerodynamicznych. Dzieje się tak, gdyz przy końcówkach skrzydeł tworzą się miniaturowe tornada, zmniejszające ciśnienie powyżej skrzydeł, dzięki czemu są one zasysane do góry. Nowe badania pokazują, która z metod jest bardziej efektywna. Dzięki nim powstaną doskonalsze urządzenia wykorzystywane w misjach szpiegowskich, badaniach naukowych czy podczas akcji ratunkowych.

Grupa naukowców z Los Alamos, ośrodka znanego głównie z eksperymentów nad bronią atomową, wraz z kolegami z innych uczelni opracowała nową metodę obserwacji świata oczami muchy. Dzięki swoim odkryciom poszerszyli oni znacznie wiedzę o mechanizmie, w jakim zwierzęta postrzegają świat oraz o ich reakcjach na zmiany w środowisku. Badenia te pozwolą też być może znacząco zmienić sposób konstruowania przez informatyków tzw. sieci neuronowych, co może znacząco wspomóc prace nad rozwojem sztucznej inteligencji. Aby zbadać zachowania much, badacze unieruchomili je na specjalnej platformie i podłączyli miniaturowe elektrody do neuronów odpowiadających za postrzeganie przez nie ruchu w otoczeniu. Dodatkowo umieścili urządzenie w środowiku przypominającym naturalne miejsce bytowania much, czyli w zalesionej okolicy. Następnie wprawili platformę w ruch naśladujący lot muchy unikającej drapieżnika lub goniącej innego owada. W ten sposób wymuszono na muchach obserwowanie przestrzeni w czasie ruchu podobnego do tego wykonywanego w stanie zagrożenia, a jednocześnie rozwiązno problem związany z instalacją okablowania na ciele owada. Co ciekawe, podobne (choć oczywiście znacznie bardziej prymitywne) badania prowadzono już w... 1926 roku. Wtedy jednak niemożliwe było osiągnięcie tak wysokiej precyzji jak obecnie. Brakowało wystarczająco dokładnej aparatury pomiarowej, a dodatkowo urządzenia odtwarzające ruchy owada nie były wystarczająco dynamiczne. Z łatwością można się domyślić, że podczas dynamicznego "lotu" reakcje neuronów były bardzo szybkie. Stwierdzono również, że przekazywane przez nie informacje mają charakter sygnału cyfrowego, tzn. składały się z serii bardzo szybkich impulsów oraz przerw między nimi, co odpowiada zerom i jedynkom w komputerowym kodzie binarnym. W badanym przez nas systemie neurony odpowiadające za wykrywanie ruchu wysyłały bardzo krótkie i precyzyjne serie danych - tłumaczy fizyk Ilya Nemenman, jeden z autorów badań. Dodaje: Do tej pory zwykliśmy uważać, że wysyłane dane mają charakter znacznie bardziej przypadkowy. Tymczasem, ku naszemu zaskoczeniu, okazało się, że precyzja wysyłanych serii informacji jest co najmniej dziesięciokrotnie wyższa od opisywanej dotychczas. Obserwacja much dostarczyła także interesujących danych na temat oszczędzania energii przez muchy. W czasie lotu z gwałtownymi manewrami aż 10% energii wytwarzanej w jej ciele jest zużywane przez oczy. Z tego powodu, w celu optymalizacji zużycia energii, w czasie spoczynku oko owada pracuje w trybie "uśpionym", a aktywność neuronów odpowiedzialnych za widzenie znacznie spada. W tym czasie pracują wyłącznie nieliczne neurony, których zadaniem jest wykrywanie nagłych zmian w otoczeniu. Gdy takie zaburzenie porządku nastąpi, organ wzroku bardzo szybko "budzi się" i powraca do pełnej aktywności. Ilya Nemenman tłumaczy, że odkrycie jego zespołu może dostarczyć wskazówek mogących wspomóc proces konstruowania tzw. sieci neuronowych. Mówiąc najprościej, są to złożone programy komputerowe (często obejmujące nawet wiele komputerów naraz), w których zadanie obliczeniowe zostaje "rozdzielone" pomiędzy liczne punkty w sieci, czyli "neurony". Dzięki wzajemnej wymianie informacji między nimi możliwe jest wykonanie niektórych typów zadań znacznie szybciej, niż jakąkolwiek znaną wcześniej metodą. Jak tłumaczy badacz, dotychczas sieci neuronowe opierały się jedynie na okresowej wymianie danych. Częstotliwość nadawania sygnałów uznawano dotychczas za nieistotną dla działania tego typu programów. Obserwacja neuronów i odkrycie istotnej roli częstotliwości nadawania może być wytłumaczeniem, dlaczego konstruowane dotychczas sieci neuronowe nie spełniały do końca swojego zadania. Zdaniem Amerykańskiej Fundacji Nauki odkrycie to jest na tyle istotne, że przyznała ona niemal natychmiast grant na przeprowadzenie badań nad konstrukcją sieci neuronowej nowej generacji. Udoskonalenie funkcjonowania tego typu programów może mieć bowiem kluczowe znaczenie w wielu dziedzinach, w których potrzebne jest zastosowanie zaawansowanych technik obliczeniowych, od klimatologii po identyfikację terrorystów na podstawie ich twarzy.