Jak se mořské hvězdice pohybují bez mozku? Odpověď by mohla ovlivnit robotiku a další

Viděli jste někdy mořskou hvězdici v pohybu? Mnohým z nás se mořské hvězdice zdají nehybné, jako kámen na dně oceánu, ale ve skutečnosti mají na svém podbřišku připevněné stovky trubičkových nožiček. Tyto nohy se natahují a smršťují, aby se přichytily k nerovnému terénu, udržely se na kořisti a samozřejmě se pohybovaly.

Každá jednotlivá trubicová noha mořské hvězdice může reagovat na podněty samostatně, ale spojené dohromady mohou synchronizovat svůj pohyb a vytvářet skákavý pohyb – jejich verzi běhu. Vědci si dlouhá léta kladli otázku, jak přesně mořská hvězdice této synchronizace dosahuje, vzhledem k tomu, že nemá mozek a má zcela decentralizovanou nervovou soustavu.

Odpověď vědců z USC Viterbi School of Engineering byla nedávno publikována v časopise Journal of the Royal Society Interface: mořská hvězdice spojuje globální směrový příkaz z „dominantního ramene“ s individuálními, lokalizovanými reakcemi na podněty, aby dosáhla koordinované lokomoce. Jinými slovy, jakmile mořská hvězdice vydá pokyn, kterým směrem se má pohybovat, jednotlivé nohy samy přijdou na to, jak toho dosáhnout, bez další komunikace.

Výzkumníci, včetně profesorky Evy Kanso z katedry leteckého a strojního inženýrství USC Viterbi a Siny Heydari, doktorky USC Viterbi.D., se připojili Matt McHenry, docent ekologie a evoluční biologie na Kalifornské univerzitě v Irvine, Amy Johnsonová, profesorka mořské biologie na Bowdoin College, a Olaf Ellers, výzkumný pracovník biologie a matematiky na Bowdoin College.

Práce vychází z existujícího hierarchického modelu chování, ale jde dál ve vysvětlení, jak velká část lokomoce mořských hvězdic se odehrává lokálně a jaká globálně.

„Nervový systém nezpracovává vše na stejném místě ve stejnou dobu, ale spoléhá na to, že mořská hvězdice je kompetentní a přijde na to,“ řekl Kanso, Zohrab A. Kaprielian Fellow in Engineering. „Pokud jedna noha trubice zatlačí na zem, ostatní tuto sílu pocítí. Toto mechanické spojení je jediným způsobem, jak jedna trubicová noha sdílí informace s druhou.“

Nervový systém mořské hvězdice je charakterizován nervovým prstencem, který obklopuje ústa a spojuje se s každou jednotlivou rukou prostřednictvím radiálního nervu. Svaly každé trubicové nohy jsou stimulovány neurony napojenými na radiální a prstencový nerv.

Všechny nohy při plazení vykračují stejným směrem, ale jejich pohyb není synchronizovaný. Při dosahování skákavé chůze však mořské hvězdice zřejmě koordinují desítky chodidel do dvou nebo tří synchronizovaných skupin. Výzkumný tým vedený Kansem se zabýval oběma způsoby pohybu a přechodem mezi nimi. Výsledkem je model, který popisuje, jak velkou část lokomoce mořské hvězdice určuje lokální senzoricko-motorická odezva na úrovni trubicových stop oproti globálním senzoricko-motorickým příkazům.

V živočišném světě je chování často popisováno jedním ze dvou převládajících modelů lokomoce; chování, jako je let hmyzu, je výsledkem senzorické zpětné vazby putující centrálním zpracovatelským systémem, který vyšle zprávu aktivující reakci, nebo je výsledkem zcela decentralizovaných, individuálních reakcí na senzorické informace, jako je tomu u rybích hejn nebo mravenčích kolonií.

Zdá se, že ani jeden z těchto modelů nepopisuje pohyb mořské hvězdice.

„V případě mořské hvězdice se zdá, že nervový systém se při řízení lokomoce spoléhá na fyziku interakce mezi tělem a prostředím. Všechny trubicové nohy jsou strukturálně připevněny k mořské hvězdici, a tedy i k sobě navzájem.“

Takto existuje mechanismus pro mechanické předávání „informací“ mezi trubicovými nohami. Jednotlivé trubicové chodidlo by muselo pouze vnímat svůj vlastní stav (propriocepce) a podle toho reagovat. Protože je její stav mechanicky propojen s ostatními trubicovými chodidly, pracují společně. Když se trubicové nohy začnou pohybovat, každá z nich vytváří individuální sílu, která se stává součástí smyslového prostředí. Tímto způsobem každá trubicová noha reaguje také na síly produkované ostatními trubicovými nohami a nakonec spolu vytvoří rytmus.

Toto je podobné jako u jiných mechanických modelů koordinace. Vezměme si například sadu mechanických metronomů, zařízení, která pomáhají udržovat rytmus nebo čas hudebníkům. Můžete spustit sadu 10 metronomů ve všech různých fázích a opřít je o stejný rovný povrch. Časem se synchronizují. Ve hře je efekt mechanické vazby pozorovaný u mořské hvězdice; každý metronom mechanicky interaguje s fázemi vytvořenými ostatními metronomy a jako takový účinně „komunikuje“ s ostatními metronomy, dokud nezačnou bít v úplném rytmu a synchronizaci.

Jak nám chování mořské hvězdice může pomoci navrhnout efektivnější robotické systémy

Pochopení toho, jak distribuovaný nervový systém, jako je ten mořské hvězdice, dosahuje komplexních, koordinovaných pohybů, by mohlo vést k pokroku v oblastech, jako je robotika. V robotických systémech je poměrně jednoduché naprogramovat robota k provádění opakujících se úkolů. Ve složitějších situacích, kdy je zapotřebí přizpůsobení, se však roboti potýkají s obtížemi. Jak lze roboty zkonstruovat tak, aby stejné výhody uplatnili i ve složitějším problému nebo prostředí?“

Odpověď by mohla spočívat v modelu mořské hvězdice, řekl Kanso. „Na příkladu mořské hvězdice můžeme navrhnout regulátory tak, aby učení probíhalo hierarchicky. Existuje decentralizovaná složka pro rozhodování i pro komunikaci s globální autoritou. To by mohlo být užitečné pro návrh řídicích algoritmů pro systémy s více akčními členy, kde velkou část řízení delegujeme na fyziku systému – mechanickou vazbu – namísto vstupu nebo zásahu centrálního regulátoru.“

Následujícím úkolem Kanso a jejího týmu bude zjistit, jak vůbec vzniká globální příkaz ke směrování a co se stane, pokud existují konkurenční podněty.

.