Передвигающиеся пешком животные, в том числе насекомые и люди, должны распознавать неожиданные изменения поверхности под ногами и быстро адаптироваться к ситуации. Без этого ориентирование в реальном мире было бы практически невозможным, а травмы от падений — более чем вероятными.

Однако, как правило, этого не происходит и нервная система животного каким-то образом обнаруживает неожиданные преграды на пути и управляет телом, чтобы избежать их или восстановить равновесие. Как именно это происходит, изучают ученые в лаборатории Джона Татхилла на факультете физиологии и биофизики Университета Вашингтона. 

Говоря научным языком, исследователи изучают проприоцепцию: то, как тело постоянно ощущает свои артикуляции и движения. Болезнь, травма и другие факторы могут помешать людям и животным координировать свои мышцы и решать простые задачи, такие как взять стакан воды или пройти пару метров. 

Исследование того, как проприоцепция управляет телом, когда оно выходит из строя во время передвижения, является фундаментальной задачей для нейробиологов. Исторически сложилось так, что в случае повреждения нервной системы именно беговые дорожки эффективно возрождали желание подопытных двигаться. Эти устройства также помогли лучше понять нейронный контроль ходьбы и бега у беспозвоночных, таких как тараканы и палочники, а также у позвоночных, таких как грызуны, кошки и люди. 

Существуют также дорожки с раздельными полотнами, которые движутся независимо. Исследователи используют их, чтобы выяснить, как адаптируется координация между ногами, когда одна сторона перемещается со скоростью отличной от другой. Такие аппараты сыграли важную роль в обследовании пациентов, перенесших инсульт. 

Оба типа беговых дорожек, обычные и с раздельными полотнами, вдохновили исследователей из лаборатории Татхилла на разработку миниатюрных версий для изучения движения плодовых мушек. Брэндон Г. Пратт, выпускник Медицинской школы Вашингтонского университета в Сиэтле и научный сотрудник Национального научного фонда сконструировал небольшие машины из недорогих деталей на основе прототипа Макса Мауэра, выпускника Школы машиностроения Вашингтонского университета.

Плодовые мушки являются хорошей моделью для изучения нейронного контроля передвижения, поскольку у них компактная, полностью картированная нервная система. Более того, набор генетических инструментов позволяет ученым выполнять точные и специфические манипуляции с этими насекомыми. 

Линейная беговая дорожка в лаборатории Татхилла заставляет мух ходить и обеспечивает долгосрочное 3D-отслеживание. Исследователи смогли проанализировать ходьбу с различной скоростью у насекомых с нарушениями проприоцепции и без них. 

Подопытные шагали по беговой дорожке перебежками: то устремляясь к передней части, то перемещаясь по ленте назад. Примерно половину всего времени они проводили в прогулках, ускоряясь в ответ на повышение скорости поверхности. Как и в случае с людьми и тараканами, подопытные держались выше, когда шли быстрее.

Что любопытно, используя беговую дорожку в своих экспериментах, исследователи смогли заставить своих подопытных побить рекорд пешей скорости для плодовых мушек. По словам ученых, насекомым удалось преодолеть отметку в 50 миллиметров в секунду. 

Также исследователи генетически заставили замолчать нейроны, лежащие в основе проприоцепции, и вновь прогнали насекомых по линейной беговой дорожке. Без этой сенсорной обратной связи мушки делали меньше шагов, но каждый из них был более крупным. Удивительно, но координация их ног, похоже, не пострадала — возможно, потому, что другие проприоцептивные нейроны оказались более важны. Другая гипотеза заключается в том, что нервная система насекомых могла компенсировать отсутствие обратной связи.

Ученые обнаружили, что беговая дорожка с разделенными полотнами мало повлияла на координацию ног подопытных. Тем не менее, когда поверхности двигались с разными скоростями, мухи существенно изменяли расстояние шага своих средних ног. Исследователи предполагают, что это происходит потому что насекомые пытаются продолжать идти прямо, несмотря на то, что устройство подталкивает их к смене курса. 

Исследователи предоставили своим коллегам-ученым программное и аппаратное обеспечение этих миниатюрных беговых дорожек в виде бесплатного открытого исходного кода. 

Само исследование опубликовано в журнале Current Biology.