Тайны паутины пауков раскрыты

Исследователи из Университета Джона Хопкинса точно обнаружили, как пауки создают сети, используя ночное видение и искусственный интеллект, чтобы отслеживать и записывать каждое движение всех восьми ног, пока пауки работают в темноте.

Их создание сценария или алгоритма веб-строительства приносит новое понимание того, как существа с мозгом размером в несколько раз меньше человеческого могут создавать структуры такой элегантности, сложности и геометрической точности. Результаты, которые теперь доступны в Интернете, будут опубликованы в ноябрьском выпуске Current Biology .

«Я впервые заинтересовался этой темой, когда гулял со своим сыном. Увидев впечатляющую паутину, я подумал:« Если бы вы пошли в зоопарк и увидели, как шимпанзе строит это, вы подумаете, что это один удивительный и впечатляющий шимпанзе ». Что ж, это еще более удивительно, потому что мозг паука настолько крошечный, и я был разочарован тем, что мы не знали больше о том, как происходит это замечательное поведение », — сказал старший автор Эндрю Гордус, поведенческий биолог Джонса Хопкинса. «Теперь мы определили всю хореографию для веб-строительства, чего никогда не было для архитектуры животных в таком прекрасном разрешении».

Пауки, плетущие паутину, слепо строящие, используя только осязание, веками очаровывали людей. Не все пауки создают паутину, но те, которые это делают, относятся к подгруппе видов животных, известных своими архитектурными творениями, например, птицы-строители гнезд и рыбы-фугу, которые создают сложные круги из песка при спаривании.

Первым шагом к пониманию того, как относительно небольшой мозг этих животных-архитекторов поддерживает их высокоуровневые строительные проекты, является систематическое документирование и анализ задействованного поведения и двигательных навыков, что до сих пор никогда не делалось, в основном из-за проблем с захватом и записывать действия, — сказал Гордус.

Здесь его команда изучила изрубленного ткача сфер, паука, уроженца западных Соединенных Штатов, который достаточно мал, чтобы удобно сидеть на кончике пальца. Чтобы наблюдать за пауками во время их ночных работ по созданию сети, лаборатория спроектировала арену с инфракрасными камерами и инфракрасными лампами. С помощью этой установки они наблюдали и регистрировали шесть пауков каждую ночь, когда они строили паутину. Они отслеживали миллионы действий отдельных ног с помощью программного обеспечения машинного зрения, разработанного специально для обнаружения движения конечностей.

«Даже если вы записываете это на видео, у многих людей будет много проблем, которые нужно отслеживать в течение длительного времени», — сказал ведущий автор Абель Корвер, аспирант, изучающий создание веб-сайтов и нейрофизиологию. «Слишком сложно просматривать каждый кадр и вручную аннотировать точки ног, поэтому мы обучили программное обеспечение машинного зрения обнаруживать позу паука кадр за кадром, чтобы мы могли документировать все, что делают ноги, чтобы построить целую паутину».

Они обнаружили, что поведение пауков при создании паутины очень похоже, настолько, что исследователи смогли предсказать, над какой частью паутины работал паук, просто взглянув на положение ноги.

«Даже если окончательная структура немного отличается, правила, которые они используют для создания сети, одинаковы», — сказал Гордус. «Все они используют одни и те же правила, что подтверждает, что правила закодированы в их мозгу. Теперь мы хотим знать, как эти правила закодированы на уровне нейронов».

Дальнейшая работа лаборатории включает эксперименты с препаратами, изменяющими сознание, чтобы определить, какие цепи в мозгу паука отвечают за различные этапы построения паутины.

«Паук очарователен, — сказал Корвер, — потому что это животное с мозгом, построенным на тех же фундаментальных строительных блоках, что и наш собственный, и эта работа может дать нам подсказки о том, как мы можем понять более крупные системы мозга, включая людей. и я думаю, что это очень интересно.

Среди авторов также Николас Вилкерсон, бывший студент Хопкинса и нынешний аспирант Атлантического ветеринарного колледжа, и Джереми Миллер, аспирант Университета Джона Хопкинса.

Работа была поддержана Программой стипендий для аспирантов Национального научного фонда и грантом Национального института здравоохранения R35GM124883.