מחקר שנערך על ידי אוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו חושף כיצד זבובי פירות מעבדים ריחות מורכבים ביעילות בשלב של עיבוד מקדים, שיכול לעורר טכנולוגיות חושיות קומפקטיות חדשות.
המחקר של UC San Diego מראה שזבובי הפירות משתמשים במנגנון עיבוד מוקדם במערכת החישה שלהם כדי לפענח ביעילות ריחות מורכבים, ומציעים תובנות לגבי פונקציות מערכת החישה ויישומים טכנולוגיים פוטנציאליים.
חוש הריח האנושי מורכב, ומשתמש במיליארדי נוירונים כדי לזהות ריחות מגוונים. לעומת זאת, לחרקים כמו זבובי פירות יש רק 100,000 נוירונים אך עדיין מעבדים ביעילות ריחות מורכבים למשימות הישרדות כמו מציאת מזון, הזדווגות והימנעות מטורפים. במחקר חדש, חוקרים מאוניברסיטת סן דייגו חושפים את המערכות הפשוטות אך היעילות שיש לזבובים המאפשרים להם להתגבר על היכולות התחושתיות המוגבלות שלהם.
"העבודה שלנו שופכת אור על האלגוריתמים לעיבוד חושי שבהם משתמשים חרקים כדי להגיב לגירויים מורכבים של ריח", אמרה פלקה פורי, הכותבת הראשית של המחקר והפיזיקה Ph.D. סטוּדֶנט. "הראינו שהארגון המיוחד של נוירונים תחושתיים של חרקים מחזיק את המפתח לפאזל – יישום שלב עיבוד חיוני שמקל על חישובים במוח המרכזי." פורי ושותפיו, המלומד הפוסט-דוקטורט שיואן-צה וו, פרופסור חבר צ'י-יינג סו, ועוזר פרופסור ג'ונתן אלג'דף, פרסמו את הממצאים הללו בכתב העת הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים.
תובנות חדשות לגבי עיבוד חושי של חרקים
מחקר חדש זה מאתגר את ההנחות הקודמות לפיהן המוח המרכזי הוא האתר העיקרי לעיבוד ריחות בזבובים. במקום זאת, הוא מראה שיעילות היכולות התחושתיות של החרק מסתמכת על שלב "עיבוד מקדים" בפריפריה של מערכת החישה שלהם, שמכין את אותות הריח לחישובים המתרחשים מאוחר יותר באזור המוח המרכזי.
מדעני UC San Diego הציעו פתרון לאופן שבו זבובי פירות משתמשים במערכת פשוטה אך יעילה לזיהוי ריחות. קרדיט: מעבדת Aljadeff, UC San Diego
מנגנונים של זיהוי ריחות בזבובים
זבובים מריחים דרך האנטנות שלהם, שמלאות בשערות חושיות המזהות אלמנטים מהסביבה שסביבם. כל שערה חושית כוללת בדרך כלל שני נוירונים קולטן ריח, או ORN, המופעלים על ידי מולקולות ריח שונות בסביבה. באופן מסקרן, ORNs באותו שיער חושי מחוברים חזק על ידי אינטראקציות חשמליות.
"תרחיש זה דומה לשני חוטים נושאי זרם הממוקמים קרוב זה לזה", הסביר פורי. "האותות הנישאים על ידי החוטים מפריעים זה לזה באמצעות אינטראקציות אלקטרומגנטיות."
במקרה של מערכת ריח הזבובים, לעומת זאת, הפרעה זו מועילה. החוקרים הראו שכאשר זבובים נתקלים באות ריח, דפוס ההפרעה הספציפי בין הקולטנים עוזר לזבובים לחשב במהירות את "תמצית" המשמעות של הריח: "האם זה טוב או רע בשבילי?" התוצאה של הערכה ראשונית זו בפריפריה מועברת לאחר מכן לאזור ספציפי במוח המרכזי של הזבוב, שם המידע על הריחות הקיימים בעולם החיצון מתורגם לתגובה התנהגותית.
חוקרים הראו שכאשר זבובים נתקלים באות ריח, דפוס ההפרעה הספציפי בין קולטני הריח עוזר לזבובים לחשב במהירות את "תמצית" המשמעות של הריח. קרדיט: פאלקה פורי, אוניברסיטת סן דייגו
פרטי מחקר ותוצאות
החוקרים בנו מודל מתמטי של אופן עיבוד אותות ריח על ידי צימוד חשמלי בין ORNs. לאחר מכן הם ניתחו את דיאגרמת החיווט ("קונקנום") של מוח הזבוב, מערך נתונים בקנה מידה גדול שנוצר על ידי מדענים ומהנדסים בקמפוס המחקר של המכון הרפואי הווארד יוז. זה אפשר לחוקרים להתחקות אחר האופן שבו אותות ריח מהפריפריה החושית משולבים במוח המרכזי.
"למרבה הפלא, העבודה שלנו מראה שתערובת הריח האופטימלית – היחס המדויק שאליו כל שערה חושית רגישה ביותר – מוגדרת על ידי הבדל הגודל הקבוע מראש מבחינה גנטית בין נוירוני הריח המזוהים", אמר אלג'דף, חבר סגל בבית הספר לביולוגיה מדעים. "העבודה שלנו מדגישה את התפקיד האלגוריתמי מרחיק הלכת של הפריפריה החושית לעיבוד של ריחות בעלי משמעות מולד וגם ריחות נלמדים במוח המרכזי."
אלג'דף מתאר את המערכת באנלוגיה חזותית. כמו מצלמה מיוחדת שיכולה לזהות סוגים ספציפיים של תמונות, הזבוב פיתח שיטה מונעת גנטית להבחין בין תמונות, או במקרה זה, תערובות של ריחות. "גילינו שלמוח הזבוב יש את החיווט לקרוא את התמונות מהמצלמה המיוחדת הזו כדי ליזום התנהגות", אמר.
כדי להגיע לתוצאות אלו, המחקר שולב עם ממצאים קודמים מהמעבדה של סו שתיארו את הארגון השמור של ORNs במערכת הריח של הזבובים לשערות חושיות. העובדה שאותות הנישאים על ידי אותן מולקולות ריח תמיד מפריעות זו לזו, בכל זבוב, העלתה לחוקרים שיש משמעות לארגון הזה.
"ניתוח זה מראה כיצד נוירונים במרכזי מוח גבוהים יכולים לנצל את היתרונות של חישוב מאוזן בפריפריה", אמר סו. "מה שבאמת מביא את העבודה הזו לרמה אחרת הוא עד כמה העיבוד המקדים ההיקפי הזה יכול להשפיע על תפקוד מוחי גבוה יותר ופעולות מעגלים."
מחקר ויישומים עתידיים
עבודה זו עשויה לעורר מחקר על תפקיד העיבוד באיברים היקפיים במובנים אחרים, כגון ראייה או שמיעה, ולעזור להוות בסיס לתכנון מכשירי זיהוי קומפקטיים בעלי יכולת לפרש נתונים מורכבים.
"ממצאים אלה מניבים תובנה לגבי העקרונות הבסיסיים של חישובים חושיים מורכבים בביולוגיה, ופותחים דלתות למחקר עתידי על שימוש בעקרונות אלה לתכנון מערכות מהונדסות חזקות", אמר פורי.
