Hvordan oppfatter ekkolokkende flaggermus avstand?

Innhold

• Viktige punkter
• Fremskynder lyden
• Ute av fokus
• Forstå flaggermushjernen

Viktige punkter

• Ekkolokerende flaggermus oversetter forsinkelsen for å returnere ekko i avstand. Det var uklart om dette var en medfødt eller lært oppførsel.
• Forskere oppdret babyfladdermus under normale forhold eller i heliumberikede forhold, hvor lydhastigheten ble økt med 15 prosent.
• Resultatene indikerte at både nyfødte valper og voksne undervurderte målavstandene i heliumberikede miljøer og aldri ble justert.
• Funnene antyder at tidsoppfatning er medfødt i ekkolokering av flaggermus, og at flaggermus koder verden når det gjelder tid i stedet for plass.

Mange flaggermus navigerer ved hjelp av ekkolokalisering - avgir høyfrekvente lydpulser og analyserer de returnerende ekkoene. Evnen til å estimere avstander nøyaktig er et kjennetegn på flaggermusens ekkolokalisering. Flaggermus vurderer avstanden til et objekt etter den tid det tar for lydene å sprette av objektet og komme tilbake til dem. De er ekstremt flinke til denne oppgaven; noen eksperimenter har vist at flaggermus kan diskriminere avstander på 3 mm eller mindre.

Flaggermus oppnår denne nøyaktigheten ved hjelp av forsinkede neuroner i hjernen. Dette er celler som aktiveres av spesifikke forsinkelser av anrops-ekko, antatt å kode målavstand. Det er imidlertid uklart om å oversette en signal-til-ekkoforsinkelse til avstand er en medfødt eller lært oppførsel. Når en babybat tar av for første gang, oversetter hjernen riktig forsinkelser i avstand?

Fremskynder lyden

Yossi Yovel fra Tel Aviv University, og Eran Amichai, nå ved Dartmouth College, tok opp dette spørsmålet ved å indusere en auditiv illusjon i ekkolokalisering av flaggermus. Siden oversettelse av tid til avstand er avhengig av en referanse til lydhastigheten, skiftet de lydhastigheten for å se hvordan det påvirket flaggermusens sensoriske oppførsel. Yovel og Amichai rapporterer resultatene i dag i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Forskerne oppdrettet to grupper av Pipistrellus kuhlii flaggermusunger fra fødsel til en alder av uavhengig flyging. Den ene gruppen ble oppdratt i et flykammer med normal luft, mens den andre gruppen ble hevet i et kammer der nitrogenet i luften ble erstattet med helium. Siden lyd forplantes raskere i heliumberiket luft enn i normal luft, vokste disse valpene opp i et miljø der lydhastigheten var 15 prosent raskere enn normalt.

"Dette betyr at flaggermusen ringer, lyden beveger seg raskt, treffer målet og reiser også raskt tilbake til det," sier Amichai. "På denne måten lurer vi flaggermusens hjerne til å tro at målet er nærmere."

Deretter trente Amichai og Yovel flaggermusene til å fly til et vertikalt mål plassert 1,3 meter unna for å spise. Siden flaggermus justerer ekkolokaliseringsparametrene (som varighet og intervall for deres lyder) før og under flyging til et mål, kan disse funksjonene avsløre hvor de tror målet er før de tar av og når de flyr til det.

Etter å ha testet valper i miljøene de ble oppdratt i, tok forskerne dem til det andre flykammeret for å se om de ville tilpasse seg en ny lydhastighet. De kjørte også lignende eksperimenter på voksne flaggermus for å se om voksne kunne tilpasse seg en økning i lydhastigheten.

Ute av fokus

Amichai og Yovel rapporterer at valper oppdrettet i heliumberiket luft undervurderte målavstander, i likhet med valper oppdratt i det normale miljøet da de ble utsatt for heliumberiket luft. Ved å bruke en visuell metafor kan man si at flaggermusene "fokuserte" ekkolokaliseringen for nær.

Det samme gjaldt de voksne flaggermusene, som ikke viste fleksibilitet i oppdateringen av lydhastigheten til miljøet. Alle voksne flaggermus undervurderte målavstandene, og nøyaktigheten deres ble ikke bedre over tid.

Amichai sier at folks opplevelse av å dykke under vann med en maske gir en nyttig metafor for denne studien. For førstegangsdykkere virker alt større og nærmere, og de kan ikke riktig vurdere størrelser og avstander. Erfarne dykkere har mye mindre feil, selv om de ikke kompenserer bevisst - hjernen deres gjør "konvertering" automatisk, basert på erfaring. Men når en lignende feil induseres i flaggermusens ekkolokalisering, klarer de ikke å gjøre konverteringen.

Siden både valper og voksne ikke klarte å tilpasse seg skiftet i lydhastigheten, antyder forskerne at den er medfødt kodet i flaggermushjernen.

"Våre eksperimenter lar flaggermusene samle informasjon om feilene deres," sier Amichai. “De kunne savne målet og deretter justere ekkolokaliseringen og flyvningen deretter, men det gjorde de aldri. Deres sensoriske oppførsel var alltid helt avhengig av tidspunktet for ekkoene. ”

Forstå flaggermushjernen

Forskerne sier dette antyder at flaggermus ikke måler ekkoforsinkelsen og oversetter den til avstand, men bare reagerer på forsinkelsen. De koder verden når det gjelder tid og oversetter ikke tid til avstand. Til sammenligning gir Amichai et eksempel på at en person når telefonen sin på et bord. Hjernen deres anslår avstanden til halvannen fot. Flaggermusens hjerne vil derimot fortelle den at telefonen er 1,5 millisekunder unna.

Så hvorfor viser flaggermus ikke sensorisk fleksibilitet? Hvorfor er tidsoppfatning medfødt i ekkolokering av flaggermus snarere enn lærte eller tilpasningsdyktige? Yovel og Amichai antyder at det er et sterkt utvalgstrykk for å ha et funksjonelt sensorisk system så snart som mulig.

Nyfødte flaggermusvalper kan begynne å fly med 3 uker og når vanligvis uavhengighet innen 10 uker. På dette tidspunktet må de kunne bruke ekkolokalisering for å navigere og jakte eller risikere å ikke overleve vinteren. Denne økologiske begrensningen kan ha drevet det medfødte nevrale grunnlaget for tidsforsinkelsesbehandling i flaggermusens hjerne.

Amichai sier at selv om denne studien kommer oss nærmere å forestille oss hvordan det er å være en flaggermus, er det fortsatt store spørsmål åpne, spesielt i hvordan miljøet, sansene og hjernen samhandler for å påvirke atferd.

"Vi har fortsatt en ufullstendig forståelse av hvordan hjernen behandler informasjonen som sansene gir til relevant oppførsel," sier han. "Studien vår gir litt innsikt i dette, og i opplevelsen av å være en flaggermus."