Способность обрабатывать временную информацию важна для выживания животных. Она помогает планировать поиск пищи, общаться с сородичами и избегать хищников. Например, колибри запоминают, как быстро в определенных цветах восполняется нектар, чтобы прилетать к ним в нужный момент. У медоносных пчел существует сложный «танец», в котором длительность движений указывает на расстояние до источника пищи.
Механизмы восприятия времени у животных работают в разных масштабах: от многолетних сезонных циклов до долей секунды. Длинные циклы, такие как смена дня и ночи, регулируют внутренние биологические часы, основанные на синтезе белков. Но эти механизмы слишком медленные, чтобы объяснять способность различать короткие интервалы, измеряемые в секундах. До недавнего времени считалось, что это доступно только позвоночным с более развитым мозгом: обезьянам, крысам или голубям.
Вопрос о том, как с подобными задачами справляются насекомые с их миниатюрной нервной системой, оставался открытым. Их мозг меньше одного кубического миллиметра, но при этом они демонстрируют сложное поведение. Поэтому понимание их способностей помогает раскрыть фундаментальные принципы работы нервной системы.
Биологи решили проверить, могут ли шмели Bombus terrestris различать длительность визуальных сигналов, чтобы принимать решения. Результаты опубликованы в журнале Biology Letters.
Исследователи построили специальный лабиринт из трех отсеков. В каждом отсеке находился монитор, на котором шмелям показывали два мигающих желтых круга. Один круг мигал с короткими интервалами, условно «точка», а другой — с длинными, условно «тире».
В процессе обучения один из сигналов связывали с наградой — каплей сахарного раствора, а другой — с наказанием в виде капли горького раствора хинина. Чтобы шмели не запоминали местоположение награды, а ориентировались именно на сигнал, позиции «точки» и «тире» постоянно меняли.
Обучение продолжалось до тех пор, пока шмель не начинал делать 15 правильных выборов из 20 попыток. После этого начиналась фаза тестирования. В ней капли с сахаром и хинином заменяли на капли с обычной водой. Это позволяло убедиться, что насекомые реагируют именно на длительность вспышек, а не на запах или другие побочные признаки награды.
Работа проходила в два этапа. В первом эксперименте общая продолжительность свечения у «длинного» и «короткого» сигналов различалась. Например, в одном из вариантов «длинный» сигнал светился пять секунд, а «короткий» — одну секунду.
Во втором эксперименте задачу усложнили. Общую продолжительность свечения для обоих сигналов сделали одинаковой. За пятисекундный цикл и «длинный», и «короткий» сигналы суммарно светились 2,5 секунды, но с разной частотой и длительностью отдельных вспышек.
Шмели успешно справились с задачей в обоих экспериментах. Они научились безошибочно находить нужный сигнал, связанный с наградой, даже когда общее количество света от двух кругов было одинаковым. В первом эксперименте 16 из 20 шмелей, а во втором — 17 из 21 показали результат выше случайного. Это доказало, что насекомые принимали решение, основываясь именно на длительности отдельных вспышек, а не на общей яркости или частоте миганий.
Исследование доказало, что шмели обладают сложными способностями к обработке временной информации, которые ранее считались недоступными для насекомых. Эти умения не связаны с какими-то врожденными стратегиями поиска пищи, поскольку в природе шмели не сталкиваются с мигающими сигналами. Вероятно, они используют более общие механизмы обучения.
Ученые предположили, что похожие нейронные цепи могут отвечать как за восприятие времени, так и за ориентацию в пространстве, например, при оценке скорости полета. Изучение таких эффективных «вычислительных» систем у насекомых может помочь лучше разобраться в том, как работает мозг на самом базовом уровне.