Короткохвостая летучая мышь Себа (Carollia perspicillata) обитает в субтропических и тропических лесах Центральной и Южной Америки, где питается преимущественно плодами перца. Дни животные проводят группами от 10 до 100 особей в полых стволах и скальных пещерах, а ночью вместе отправляются за кормом. Они общаются, используя звуки, которые создают в колонии отчетливый окружающий шум — например, гул голосов на оживленной вечеринке.
В то же время летучие мыши также используют вокализацию, чтобы ориентироваться в окружающей среде — явление, известное как эхолокация, для чего они излучают ультразвуковые звуки, отражающиеся от твердых поверхностей. Затем животные собирают это эхо в «образ» своего окружения.
Но как короткохвостой летучей мыши Себы удается отфильтровывать важные звуки из постоянного окружающего шума? Распространенное объяснение состоит в том, что мозг постоянно предсказывает следующий сигнал и сильнее реагирует на неожиданный сигнал, чем на ожидаемый.
Это называется обнаружением отклонений, и нейробиологи под руководством Йоханнеса Ветекама и профессора Манфреда Кёссля из Рабочей группы по нейробиологии и биосенсорам Института клеточной биологии и нейробиологии Франкфуртского университета имени Гете изучают его механизмы.
Вместе с коллегами они уже в 2021 году смогли показать, что обработка сигналов начинается не в высокоуровневых областях мозга, а уже в стволе мозга, который отвечает за контроль жизненно важных функций, таких как дыхание и частота сердечных сокращений. Однако в этих исследованиях использовались только искусственные стимулы, которые не имели значения для животных.
В недавно опубликованном исследовании команда под руководством Ветекама и Кессля повторила эксперименты с естественным общением и эхолокационными вызовами. «В нашем исследовании мы хотели выяснить, что происходит при обнаружении отклонений, когда вместо бессмысленных стимулов короткохвостой летучей мыши Себы предъявляются те, которые действительно происходят в ее слуховом мире», — говорит Ветекам.
Для этого под кожу головы летучих мышей были вставлены два электрода толщиной с человеческий волос, чтобы записать их мозговые волны. Хотя для животных это было безболезненно, измерения проводились под общим наркозом, поскольку любое движение могло исказить результаты.
Мозг летучей мыши реагирует на звуки, даже когда животное находится под наркозом и крепко спит. Затем животным воспроизводились либо эхолокационные, либо коммуникационные сигналы, каждый из которых перемежался другим звуком, с вероятностью 10%.
Затем по измеренным мозговым волнам стало возможным прочитать , что ствол мозга по-разному обрабатывает эхолокацию и коммуникативные вызовы. Хотя нечастые эхолокационные звуки действительно вызывали более сильные сигналы, чем частые, т. е. демонстрировали обнаружение отклонений, в случае звуков общения вероятность их появления не влияла на силу ответа.
«Летучим мышам, вероятно, нужно реагировать быстрее во время эхолокации, чем при общении с сородичами», — предполагает Манфред Кёссль. «Ствол мозга — это первая станция в мозгу, принимающая акустические сигналы, поэтому расчет вероятности эхолокационных сигналов может быть необходим в первую очередь там, и особенно их эха, чтобы животное могло вовремя увернуться от препятствий». Более сильная реакция на менее частые звонки, по-видимому, связана с лучшей синхронизацией нейронов.
Исследование также показало, что ствол мозга может использовать другие особенности криков летучих мышей для обнаружения отклонений, такие как быстрые изменения частоты или громкости, в дополнение к различиям в высоте звука. «Это удивительно, поскольку ствол мозга — это довольно примитивная часть мозга, о которой ученые ранее не думали, что она способна существенно участвовать в обработке сигналов», — говорит Ветекам. «Они видели его роль больше в получении сигналов от слухового нерва и передаче их в высокоуровневые области мозга».
Эти результаты также могут быть важны для медицинского применения на людях. Например, низкоуровневые области мозга следует учитывать при изучении таких заболеваний, как СДВГ или шизофрения, которые связаны с нарушением обработки внешних стимулов. Тот факт, что ствол мозга летучей мыши по-разному обрабатывает различные сложные акустические сигналы, также может помочь ученым понять, как мозг расшифровывает и обрабатывает сложную человеческую речь.
