Krok w odpowiednim kierunku do zrozumienia orientacji przestrzennej

Większość gatunków zwierząt, a także człowiek, polega na zdolności odnajdywania się w środowisku. Nieraz uzależnione od niej jest przetrwanie, jak w przypadku zdobywania pożywienia.

Skuteczna orientacja w przestrzeni wymaga łączenia informacji z różnych źródeł (integracji multimodalnej). Z tego powodu jest często postrzegana jako wskaźnik wysokiego poziomu funkcjonowania kognitywnego, gdyż implikuje umiejętności analizy, porównania i osądu umożliwiające znajdowanie najlepszych strategii w połączeniu ze zdolnością uczenia się i zapamiętywania.

Wyniki badań wskazują jednak na to, że złożone zachowania orientacyjnie nie wymagają takiej mocy mózgu, jak dotychczas sądzono. Partnerzy finansowanego ze środków UE projektu ANT NAVIGATION sprawdzili tę hipotezę na podstawie szczegółowych badań mrówek. Według dr. Paula Grahama, koordynatora prac badawczych, zaleta badania mrówek polegała na tym, że „owady wyewoluowały z ograniczonymi zasobami neuronalnymi i w związku z tym wypracowały oszczędne strategie rozwiązywania problemów”. W konsekwencji, bliższe poznanie funkcjonowania orientacji owadów w terenie przybliży także oszczędne sposoby, jakich używa mózg do przetwarzania i wykorzystywania informacji w ogóle, także w przypadku człowieka.

Multimodalna integracja w orientacji przestrzennej mrówek pustynnych poszukujących pożywienia

Dr Graham wraz z zespołem przeanalizował szczegółowo zachowanie pustynnych mrówek poszukujących pożywienia na południu Hiszpanii i w Tunezji. Po pierwsze, dlatego że jego zdaniem poszukiwacze pożywienia: „Nie zajmują się w swoim życiu niemal niczym innym jak nawigowaniem”. Po drugie, mrówki są samotnicami, a zatem nie polegają na wskazówkach społecznych, takich jak ślady chemiczne. Zważywszy jednocześnie na fakt, że krajobraz pustynny oferuje niewiele wskazówek wizualnych, obydwie cechy stwarzają unikalną okazję do przestudiowania technik orientacji w terenie.

Tradycyjnie zakładano, że zasadnicza strategia orientacji w terenie, z jakiej korzystają mrówki pustynne poszukujące pożywienia, która zapewnia im powrót do punktu wyjścia, którym zazwyczaj jest gniazdo, to integracja ścieżki. Powiązano ją z techniką morską zapewniającą orientację, która polega na stałej aktualizacji odległości od punktu wyjścia z uwzględnieniem kierunku przemieszczania się. Tę technikę zademonstrowano w ramach wcześniejszych doświadczeń, które polegały na manipulowaniu wyglądem słońca, które miało zmienić percepcję kierunku, albo wydłużaniu odnóży mrówek, skutkującym przegapieniem celu powrotu (np. gniazda).

Wkład, jaki wniósł projekt ANT NAVIGATION, to między innymi staranne prześledzenie ruchów mrówek. „Byliśmy jedną z pierwszych grup, która zarejestrowała nie tylko ścieżki mrówek, ale także ich prędkość, kiedy kierują się integracją ścieżki oraz pierwsze etapy uczenia się innych sygnałów środowiskowych. To nie było trudne zadanie, ale wcześniej nikt się go nie podjął” – wyjaśnia dr Graham.

Na podstawie śledzenia szybkości poruszania się mrówek, partnerzy projektu byli w stanie wywieść, że poruszają się według wrodzonej zasady. Ta zasada koreluje szybkość ze znaczeniem lokalizacji, dzięki czemu mrówki dają sobie czas niezbędny do przyswojenia wyższej jakości informacji wizualnych w kluczowych lokalizacjach. Jak ujął to dr Graham: „To ekscytujące, gdyż pokazuje, jak mrówki równoważą względne zalety różnych źródeł informacji bez konieczności ‘zastanawiania się’ nad ich wartością”.

Wspólna wiedza na rzecz wielkiego skoku naprzód

Zapytany o przydatność projektu ANT NAVIGATION, dr Graham podkreśla, że szersze poznanie aspektu obliczeniowego strategii orientacyjnych owadów może lepiej przysłużyć się projektowaniu małych robotów autonomicznych, które pewnego dnia mogą dorównać skuteczności owadów. „Współpracujemy ściśle z inżynierami, aby ustalenia naszych badań biologicznych mogły być przekładane na robotykę” – wyjaśnia.

Nauki biologiczne znacznie pogłębiły swój korpus wiedzy na temat funkcji organizmów na podstawie badań tak zwanych „systemów modelowych”, takich jak muchy czy myszy. Ponadto niektóre organizmy zostały szczegółowo przebadane pod kątem specjalnych zdolności funkcjonalnych, jak wizualna orientacja przestrzenna mrówek pustynnych.

Aby przenieść naukę na kolejny szczebel, dr Graham wskazuje na potrzebę syntezy behawiorystyki z wiedzą neuronaukową. Jak wyjaśnia: „Mamy nadzieję, że już niedługo będziemy w stanie manipulować układami neuronalnymi orientacji mrówek i powiązać nasze ustalenia ze szczegółową wiedzą o układach neuronalnych much”. To będzie ogromny postęp w neuronauce, który da nadzieję na prawdziwie autonomiczne małe roboty przydatne potencjalnie w takich zastosowaniach jak nadzór w następstwie klęski żywiołowej i monitoring rolny”.

Więcej informacji:
strona projektu w serwisie CORDIS