Spiders’ web secrets unraveled

Spiders’ web secrets unraveled

Johns Hopkins University Researchers discovered precisely how spiders build webs by using night vision and artificial intelligence to track and record every movement of all eight legs as spiders worked in the dark. Their creation of a web-building playbook or algorithm brings new understanding of how creatures with brains a fraction of the size of a human’s are able to create structures of such elegance, complexity and geometric precision.

A senior author and a Johns Hopkins behavioral biologist Andrew Gordus said “I first got interested in this topic while I was out birding with my son. After seeing a spectacular web I thought, ‘if you went to a zoo and saw a chimpanzee building this you’d think that’s one amazing and impressive chimpanzee.’ Well this is even more amazing because a spider’s brain is so tiny and I was frustrated that we didn’t know more about how this remarkable behavior occurs”. “Now we’ve defined the entire choreography for web building, which has never been done for any animal architecture at this fine of a resolution.”

Web-weaving spiders that build blindly using only the sense of touch, have fascinated humans for centuries. Not all spiders build webs but those that do are among a subset of animal species known for their architectural creations, like nest-building birds and puffer fish that create elaborate sand circles when mating.

Andrew Gordus said "The first step to understanding how the relatively small brains of these animal architects support their high-level construction projects, is to systematically document and analyze the behaviors and motor skills involved, which until now has never been done, mainly because of the challenges of capturing and recording the actions."

Here his team studied a hackled orb weaver, a spider native to the western United States that’s small enough to sit comfortably on a fingertip. To observe the spiders during their nighttime web-building work, the lab designed an arena with infrared cameras and infrared lights. With that set-up they monitored and recorded six spiders every night as they constructed webs. They tracked the millions of individual leg actions with machine vision software designed specifically to detect limb movement.

A lead author Abel Corver said “Even if you video record it, that’s a lot of legs to track, over a long time, across many individuals,” a graduate student studying web-making and neurophysiology. “It’s just too much to go through every frame and annotate the leg points by hand so we trained machine vision software to detect the posture of the spider, frame by frame, so we could document everything the legs do to build an entire web.”

They found that web-making behaviors are quite similar across spiders, so much so that the researchers were able to predict the part of a web a spider was working on just from seeing the position of a leg.

“Even if the final structure is a little different, the rules they use to build the web are the same,” Gordus said. “They’re all using the same rules, which confirms the rules are encoded in their brains. Now we want to know how those rules are encoded at the level of neurons.”

Future work for the lab includes experiments with mind-altering drugs to determine which circuits in the spider’s brain are responsible for the various stages of web-building.

“The spider is fascinating,” Corver said, “because here you have an animal with a brain built on the same fundamental building blocks as our own, and this work could give us hints on how we can understand larger brain systems, including humans, and I think that’s very exciting.

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स्पाइडर वेब के सीक्रेट्स का खुलासा

सभी आठ पैरों के हर movement को ट्रैक और रिकॉर्ड करने के लिए, नाइट विजन और आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस का उपयोग करके जॉन्स हॉपकिन्स विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने, ठीक-ठीक पता लगाया कि कैसे मकड़ी के जाले बनाती हैं। वेब-बिल्डिंग प्लेबुक या एल्गोरिथम के उनके निर्माण से नई समझ आती है, कि कैसे human brain के आकार, का एक अंश के बराबर के brain इस तरह की elegance, complexity और geometric precission की संरचनाएं बनाने में सक्षम हैं।

एक वरिष्ठ लेखक और जॉन्स हॉपकिन्स के behavioral biologist एंड्रयू गॉर्डस कहते हैं,

“मुझे पहली बार इस विषय में दिलचस्पी तब हुई जब मैं अपने बेटे के साथ बाहर गया था। एक शानदार वेब देखने के बाद मैंने सोचा, ‘यदि आप एक चिड़ियाघर में जाते हैं और एक चिंपैंजी को इसे बनाते हुए देखते हैं, तब आपको लगता है कि यह एक अद्भुत और प्रभावशाली चिंपैंजी है।’ वैसे यह और भी आश्चर्यजनक है क्योंकि एक मकड़ी का मस्तिष्क इतना छोटा होता है, और मैं निराश था कि हम इस उल्लेखनीय व्यवहार के बारे में अधिक नहीं जानते थे”। “अब हमने वेब बिल्डिंग के लिए पूरी कोरियोग्राफी को define कर दिया है, जो किसी भी animal architecture के लिए कभी भी इतने बारीक पैमाना पर नहीं किया गया है।”

वेब-weaving करने वाली spiders जो केवल sense of touch का उपयोग करके आँख बंद करके निर्माण करती हैं, सदियों से मनुष्यों को आकर्षित करती रही हैं। सभी मकड़ियाँ जाले नहीं बनातीं, लेकिन जो मकड़ियाँ बनाती हैं, वे अपनी architectural creations के लिए जानी जाने वाली जानवरों की प्रजातियों के sub-set में से हैं, जैसे घोंसला बनाने वाले पक्षी और पफ़र मछली जो mating के समय विस्तृत रेत के circles बनाती हैं।

एंड्रयू गॉर्डस कहते हैं कि

यह समझने के लिए पहला कदम है कि इन animal architects के अपेक्षाकृत छोटे दिमाग उनकी high-level construction projects का समर्थन कैसे करते हैं, इसमें शामिल व्यवहार और मोटर skills का systematically रूप से दस्तावेज और विश्लेषण करना है, जो अब तक कभी नहीं किया गया है, mainly: कार्यों को capture और रिकॉर्ड करने की चुनौतियां।

यहां उनकी टीम ने एक कटे हुए ओर्ब weaver का अध्ययन किया, जो पश्चिमी संयुक्त राज्य के मूल निवासी एक मकड़ी है जो काफी छोटा है। रात के समय वेब-buinding work के दौरान मकड़ियों को observe करने के लिए, lab ने इन्फ्रारेड कैमरों और इन्फ्रारेड lights के साथ एक क्षेत्र तैयार किया। उस सेट-अप के साथ उन्होंने हर रात छह मकड़ियों की निगरानी की और उन्हें रिकॉर्ड किया क्योंकि उन्होंने webs का निर्माण किया था। उन्होंने मशीन विजन सॉफ़्टवेयर के साथ लाखों individual leg actions को ट्रैक किया जो विशेष रूप से limb का movement पता लगाने के लिए डिज़ाइन किए गए थे।

वेब-मेकिंग और न्यूरोफिज़ियोलॉजी का अध्ययन करने वाले एक graduate student का कहना है,

“यहां तक ​​​​कि अगर आप इसे वीडियो रिकॉर्ड करते हैं, तो लंबे समय तक, कई व्यक्तियों में ट्रैक करने के लिए बहुत सारे पैर हैं।” “हर फ्रेम के माध्यम से जाना और हाथ से पैर के बिंदुओं को एनोटेट करना बहुत अधिक है, इसलिए हमने मकड़ी की posture का फ्रेम by फ्रेम पता लगाने के लिए मशीन विजन सॉफ्टवेयर को train किया, ताकि हम एक संपूर्ण वेब बनाने के लिए legs द्वारा किए जाने वाले हर काम का documentation कर सकें।”

उन्होंने पाया कि वेब बनाने का behavior spiders में काफी समान है, इतना अधिक है कि researchers एक मकड़ी के एक पैर की स्थिति को देखकर, एक वेब के उस हिस्से की prediction करने में सक्षम थे जिस पर वह काम कर रही थी।

गॉर्डस कहते हैं,

“भले ही final structure थोड़ी अलग हो, लेकिन वे वेब बनाने के लिए जिन नियमों का उपयोग करते हैं, वे समान हैं,”। “वे सभी एक ही rule का उपयोग कर रहे हैं, जो confirm करता है कि rules उनके brain में एन्कोड किए गए हैं। अब हम जानना चाहते हैं कि उन rules को न्यूरॉन्स के स्तर पर कैसे एन्कोड किया गया है।”

फ्यूचर के काम में labs के लिए brain बदलने वाली drug के साथ experiments शामिल हैं ताकि यह determine किया जा सके कि वेब-building के विभिन्न stages के लिए spider के brain में कौन से सर्किट जिम्मेदार हैं।

कॉर्वर कहते हैं,

“मकड़ी आकर्षक है,” क्योंकि यहां आपके पास एक जानवर है जो हमारे समान फंडामेंटल बिल्डिंग ब्लॉक्स पर बना है, और यह काम हमें हिंट दे सकता है कि हम बड़े ब्रेन सिस्टम्स को कैसे समझ सकते हैं, इन्क्लूडिंग हुमंस, और मुझे लगता है कि यह बहुत exciting है।

Source : Materials provided by Johns Hopkins University.