2023 Avtor: Sophia Otis | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-05-21 01:53
Univerza v Kaliforniji, Berkeley, podiplomski študent Alistair Boettiger je zbral čudovito zbirko školjk, vendar ne s česanjem plaže. Ustvaril jih je v svojem računalniku.
On in George Oster, biofizik UC Berkeley, skupaj z matematičnim nevroznanstvenikom Univerze v Pittsburghu Bardom Ermentroutom sta napisala računalniški program, ki generira zapletene vzorce školjk z uporabo preprostih načel, razvitih za razlago, kako delujejo možgani in kako spomini so shranjeni.
Model "nevralne mreže" pojasnjuje, kako mehkužci gradijo svoje školjke na podlagi ugotovitve, da mehkužčev plašč, podoben jeziku, ki prekriva rob rastoče lupine, zazna ali "okusi" plast kalcijevega karbonata, ki je položena dan prej, da ustvarite novo plast.
"Vzorec na školjki so spomini mehkužca," je dejal Oster, profesor okoljske znanosti, politike in upravljanja ter molekularne in celične biologije. "Ljupina je položena v plasteh, tako da plašč zaznava zgodovino 'misli' mehkužcev in se ekstrapolira na naslednjo plast, tako kot naši možgani projicirajo v prihodnost."
Študije lahko nevroznanstvenikom pomagajo razumeti, kako delujejo nevronske mreže v možganih in po vsem telesu, kjer nevronske mreže pokrivajo našo kožo in vse notranje organe.
Računalniški model raziskovalcev reproducira skoraj vse znane oblike školjk, od pokrovače do moščkov, in skoraj vse vzorce školjk, zaradi katerih je česanje na plaži tako priljubljeno.
"Model nam daje izjemno sposobnost, da razložimo velik del dramatične raznolikosti oblik in vzorcev, ki jih vidimo v naravnem svetu," je dejal Boettiger.
Da bi zgradili svoj model, so znanstveniki z UC Berkeley najprej preučili slike plašča mehkužcev z elektronskim mikroskopom, da bi razumeli mrežo nevronov, ki povezujejo zaznavne celice v plašču s sekretornimi celicami, ki proizvajajo kalcijev karbonat in beljakovine – veliko so barvni pigmenti - vključeni v rastočo lupino. Različne stopnje izločanja kalcijevega karbonata določajo obliko spirale, medtem ko različne količine izločanja pigmenta ustvarjajo vzorec, edinstven za vsako vrsto.
Nato so modelirali velikost ekscitatornih in zaviralnih regij, ki obkrožajo sekretorne celice in pragove sprožitve celic – skupaj devet parametrov – kot nevronsko mrežo, ki določa, koliko kalcija in pigmenta se izloča..
Na podlagi samo teh devetih parametrov so Boettiger, Oster in Ermentrout uspeli reproducirati oblike in vzorce skoraj vseh znanih morskih mehkužcev.
Zanimivo je, da so ugotovili, da vsi vzorci lupine spadajo v tri osnovne razrede: črte, pravokotne na rastoči rob, pasovi, vzporedni z rastočim robom, in kompleksni vzorci, ki nastanejo z asimetričnimi "potujočimi valovi" odlaganja pigmenta ali kalcija.
Osnovni koncept modela nevronske mreže, ki ga je prvi opisal fizik Ernst Mach leta 1865, da bi pojasnil vizualne iluzije, je, da so središča vzbujanja - na primer v mrežnici - obkrožena z območji zaviranja. Lokalna aktivacija/lateralna inhibicija se nanaša na številne vrste nevronske aktivnosti in je osnova za izjemno občutljivost naših oči in vidnega sistema na robove – aktivacija celic na robu zavira sosednje celice, kar poudari diskontinuiteto.
Sloviti računalniški znanstvenik Alan Turing je leta 1952 pokazal, kako lahko lokalna aktivacija/lateralna inhibicija deluje kemično, biolog Hans Meinhardt pa je ta kemični model uporabil za ustvarjanje realističnih vzorcev školjk v sedemdesetih letih, ki jih je leta 1995 objavil v knjigi z naslovom "The algoritemska lepota morskih školjk."
Takrat nevronska osnova vzorčenja lupine ni bila splošno sprejeta, čeprav sta Oster in Ermentrout v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja objavila starejšo različico nevronskega modela. Ena od težav z Meinhardtovim kemičnim modelom, ki je domneval o reakcijah med kemikalijami, ki se širijo skozi polžo lupino, je ta, da so potrebne različne kemične reakcije za nastanek vsakega vzorca lupine.
"Naš resnični prispevek ni reproduciranje vzorcev, ampak dokazovanje, da lahko živčni sistem to naredi z eno enačbo, ki temelji na principu, ki ga je odkril Ernst Mach v 1860-ih," je dejal Oster.
Črtaste lupine je najlažje razložiti s tem modelom nevronske mreže. Celica, ki izloča pigment, zavira izločanje pigmenta sosednjih celic, ne pa sama, tako da se isti vzorec ponavlja dan za dnem, kar daje črto. Podobno, če ena celica črpa izločanje kalcijevega karbonata, medtem ko zavira izločanje okoliških celic, nastanejo grebeni. Zanimivo je, da se črte ali grebeni naravno cepijo, ko lupina raste, kar je matematična potreba, ker velikost inhibicijskega območja ostaja enaka kot raste rob lupine.
Pakove, vzporedne z naraščajočim robom, je mogoče razložiti z zaviranjem prihodnje aktivnosti. Pigment, izločen v enem dnevu, lahko za nekaj dni zavira izločanje celic, kar ima za posledico vzorec vklopa/izklopa, ki ustvari vrsto trakov.
Najbolj zanimivi vzorci pa so valovi aktivnosti, ki motijo ustvarjanje cikcakov, diamantov, ševronov, konic puščic in številnih drugih oblik. Do njih pride, ko pigment zavira prihodnje izločanje na tem mestu, vendar vzbudi izločanje v okoliških celicah. Pigment se tako pomika bočno v zaporednih dneh, kar je enakovredno potujočemu valu.
Ironično je, da večini morskih polžev ni niti malo mar za vzorec njihove lupine. Zakopani so v blato morskega dna, kjer so njihovi vzorci skriti tudi pred potencialnimi partnerji.
"Pigment je namig, da se plašč vpiše v register, tako da zgradi pravo oblikovano lupino, in je le epifenomen, ki odraža nevronsko aktivnost," je dejal Oster. "To je naključno za polža."
"Za pogon vzorcev ni močnega selektivnega pritiska, zato lahko evolucija razišče celoten prostor parametrov" možnih lupin, je dodal Boettiger. "To je bila ena nagrajujoča stvar pri tem delu; prineslo je nekaj lepe estetike v celoten projekt."
Z njihovim uspehom pri opisovanju vzorcev školjk Oster načrtuje, da se bo osredotočil na njegovo resnično zanimanje, kako sipe hitro spreminjajo svoje vzorce kot odziv na okolje. Sipe vidijo vzorec v okolju in spremenijo vzorec svoje kože, da se zlije, je dejal, pogosto utripajo tako hitro, da spominjajo na hipnotični stroboskop.
Delo je podprla Nacionalna znanstvena fundacija.
