Зубатые киты используют звук, чтобы ориентироваться, находить объекты и ловить рыбу. Они исследуют пространство, издавая щелчки и анализируя эхо — отраженный сигнал, который возвращается к их ушам. Эта биологическая эхолокация — редкий в животном мире навык.

Новое исследование, проведенное учеными из Океанографического института Вудс-Хоул, Нового колледжа Флориды, Калифорнийского университета в Беркли и Оксфорда, опубликованное в издании PLOS ONE, приближает нас к пониманию того, как мозг дельфинов эволюционировал для эхолокации.

Эхолокация — способность животных создавать звуковые волны (щелчки) и анализировать их отражение от объектов, чтобы определять расстояние, форму и текстуру.

Команда изучила мозг погибших китообразных, выброшенных на берег, и сравнила слуховые пути у эхолоцирующих дельфинов и усатого кита сейвала, который не использует эхолокацию.

Сотрудничество с Международным фондом защиты животных (IFAW) позволило продвинуться в этой работе.

Усатые киты не имеют зубов, но у них с дельфинами был общий предок, и оба вида полагаются на сложную звуковую коммуникацию в темной водной среде.

Однако если дельфины развили эхолокацию, то киты — нет. Это первое сравнение нейронных сетей у двух групп, и оно дает новое понимание того, как мозг адаптировался к активной эхолокации/

Оказалось, что для дельфинов это скорее «ощупывание» звуком, чем „видение“.

Софи Флем, ведущий автор исследования и студентка магистерской программы по морским млекопитающим, объясняет:

Мы хотели понять, чем слуховые пути эхолоцирующих китообразных отличаются от тех, кто не использует эхолокацию. У людей, приматов, грызунов и собак уже есть карты мозга, показывающие, какие зоны за что отвечают. У дельфинов таких карт нет, а их мозг сильно отличается от мозга наземных животных.

Ученые сосредоточились на путях, идущих от нижних холмиков среднего мозга — парной структуры, которая есть у всех видов и служит «перевалочным пунктом» для звуковой информации. У дельфинов она относительно больше, чем у большинства наземных животных. Это помогло проследить, как звук движется по мозгу, даже в малоизученную кору.

Результаты удивили: хотя оба вида полагаются на слух, у дельфинов не оказалось более мощных слуховых проекций в кору. Вместо этого у них обнаружились сильные связи между нижними холмиками и мозжечком.

Питер Тайак, соавтор исследования, поясняет:

Раньше считалось, что мозжечок отвечает только за равновесие и движение. Но теперь ясно, что он интегрирует сенсорные и моторные сигналы и быстро прогнозирует изменения. Дельфины направляют эхолокационный луч, как мы ощупываем темную комнату в поисках выключателя. Их мозг объединяет звук с движением, чтобы «видеть» мир.

Технически исследование было сложным: мозг сейвала в три раза больше человеческого, а диффузионная томография мертвого мозга дает зашумленные изображения. Карла Миллер из Оксфорда и Бен Инглис из Беркли разработали методы, улучшающие качество снимков.

Питер Кук, старший автор, говорит:

Нейробиологи годами мечтали изучить связи в мозге китообразных. Технологии наконец позволяют заглянуть в эти загадочные нервные системы.

Следующий шаг — изучить пути, отвечающие за производство звуков.  «У дельфинов уникальный носовой звуковой аппарат, и мы хотим понять, как их мозг управляет им», — добавляет Кук.

Польза исследования

• Нейропротезирование: понимание эхолокации поможет создать устройства для слепых, преобразующие звук в тактильные или слуховые образы.
• Робототехника: алгоритмы обработки эха могут улучшить сонары подводных дронов.
• Защита китообразных: знание их слуховых путей поможет снизить вред от шумового загрязнения океана.

Однако исследование ограничено малым количеством образцов (трудно достать мозги китообразных), а диффузионная томография мертвого мозга может искажать реальные нейронные связи.

Ранее ученые сообщили, что предок зубатых китов обладал встроенным эхолотом 28 млн лет назад.