研究人员利用人工智能和化学药品,研究蜘蛛在织网时的细节,以及脑部的编码过程。

  撰文|Michelle Starr

  翻译|魏书豪

  审校|王昱

  虽然有的蜘蛛可以小到在你的指甲上跳华尔兹,但它们能够完成令人叹为观止的美丽又复杂的工程。

  毫无疑问,这个工程就是蜘蛛网——几千年来一直吸引和激发人类想象力的结构。现在,我们对他们是如何完成这个工程,有了最详细的分析。

  一组科学家部署了夜视摄像头,并使用人工智能技术来研究蜘蛛在织网过程中八条腿的每一个位置。由此来形成一个模型,可以根据蜘蛛腿的姿势来预测网络构建的阶段。

  这应该能够帮助科学家们弄清楚,小蜘蛛在黑暗中织网时,大脑中发生了什么。

  “我第一次对这个话题感兴趣是在和儿子出去观鸟的时候。在看到壮观的蜘蛛网后,我想,‘如果你去动物园,看到一只黑猩猩在织网,你会认为那是一只令人惊叹和印象深刻的黑猩猩。’约翰霍普金斯大学的行为生物学家Andrew Gordus说:“蜘蛛织网就更令人惊讶了,因为蜘蛛的大脑非常小,而且我很沮丧,我们不知道这种非凡行为是如何发生的。

  “现在,我们已经明确了蜘蛛网构建的整体排布,这在如此精细的尺度下,任何其他动物都从未完成过。”

  虽然其他动物的建造方式与人类并不完全相同,但人的建造能力并不独特。其他灵长类动物能够筑巢,许多鸟类也是如此。有些螃蟹建造烟囱,有些石蛾幼虫则建造保护壳居住。但是这些都没有蜘蛛网那么复杂、多样或美丽。

  Uloborus diversus是蜘蛛家族的成员,尝试建立构建蜘蛛网图书馆的核心,被称为hackled orb weavers。这些常见的无毒食虫蜘蛛的大小只有几毫米,可以在美国和墨西哥找到。正如orb-weaving蜘蛛所做的那样,它们每天晚上都会筑起复杂的网来诱捕猎物。

  科学家选取了六只蜘蛛进行拍摄。每天晚上,研究人员使用红外摄像机和灯光记录这些蜘蛛结网时的情况,并使用肢体跟踪神经网络监控每只蜘蛛身体的26个点:每条腿的基部、股骨和胫骨,以及身体的最前点和最后点。

  约翰霍普金斯大学的神经生理学家Abel Corver说:“即使你对它进行视频记录,在很长一段时间内,也有很多条腿要追踪,还要跨越许多个体。

  “仅仅是浏览每一帧视频并徒手注释腿部点就太难了,所以我们训练机器视觉软件一帧一帧地检测蜘蛛的姿势,这样我们就可以记录腿部为构建整个网络所做的一切。”

  通过这种方式,研究人员记录了21张网长达数小时的构造,以及构造时每个蛛形纲动物的身体运动。

  这是记录蜘蛛的微小大脑如何支持复杂的网络构建的第一步,终于得到了回报。研究人员发现,每只蜘蛛的织网过程都涉及相同的运动方式和运动技能,以至于仅从腿的位置就可以预测正在织网的部分。

  “即使织网的最终结构有点不同,但它们用来构建网络的规则是一样的,” Gordus说。“它们都在使用相同的规则,这说明规则是在他们的大脑中编码好的。现在我们想知道这些规则是如何在神经元层面编译的。”

  这将是下一阶段研究的主题。该团队计划使用能够改变脑部的化学物质来影响蜘蛛,以确定大脑的哪些部分参与了织网过程及参与方式。(在之前,包括咖啡因在内的药物曾被用于蜘蛛研究,因此我们有线索表明,这些药物会对蜘蛛的结网能力产生影响。)

  “通过药物成分吸收和蜘蛛随后的行为分析,推断由药物诱导的行为变化对结网架构的改变。我们希望在未来的研究中结合这两种方法,”研究人员在论文中写道。

  文章链接:

  https://www.sciencealert.com/we-finally-know-how-spiders-build-their-intricate-webs-in-the-dark


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