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導航時,蒼蠅可以繪制出靈活的世界思維圖

2020-02-18 17:14:28    來源:    我來說兩句()
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 在圓形競技場中,果蠅在黑色和藍色燈光照亮的虛擬景觀中導航。蒼蠅被束縛在適當的位置,能夠拍打翅膀,但不能移動其頭部。墻上的圖像旋轉,給人以運動的錯覺。

但是,這不是昆蟲狂歡節。Howard Hughes醫學院的Janelia研究園區的研究人員正在使用這種設置來研究果蠅如何獲得方位并建立世界思維圖。

現在,在Janelia和哈佛醫學院分別進行的兩項研究表明,蒼蠅的神經羅盤如何利用視覺提示來完善昆蟲的定向感。這兩項研究均于2019年11月20日發表在《自然》(Nature)雜志上,表明蒼蠅的心理圖具有驚人的延展性。

科學家實際上可以通過修改神經羅盤來改寫昆蟲的方向感。只需少量視覺信息,蒼蠅便可以繪制周圍環境的新地圖。

HHMI Hanna Gray研究員,哈佛大學的合著者Yvette Fisher說,理論研究已經解釋了大腦中的空間圖可能如何適應新的視覺對象。“但是沒有人在機械方面看到過它。”

加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校的神經科學家Sung Soo Kim說,這些發現為人們提供了新的見解,使人們知道大腦如何構建一個穩定的場景圖,同時又保持足夠的靈活性以適應新的場景。費舍爾補充說,這項工作還對其他動物如何在野外航行產生了影響,從諸如螞蟻和的昆蟲等昆蟲到諸如小鼠的哺乳動物,甚至人類。

方向感

像人類一樣,蒼蠅可以利用周圍環境中的地標快速定向自己,從而繪制出周圍環境的思維導圖。

珍妮莉亞高級小組負責人維維克·賈亞拉曼(Vivek Jayaraman)及其實驗室在過去的研究中表明,蒼蠅的大腦中有一圈“羅盤神經元”,反映了蒼蠅在太空中的方向。當蒼蠅面向某個特定方向時,環周圍某處的神經元就會發生一陣活動。當蒼蠅轉彎時,顛簸運動以反映蒼蠅的新方向,就像羅盤針不斷旋轉指向北方。

賈亞拉曼說,這些羅盤神經元即使在漆黑的黑暗中也能對蒼蠅的轉彎做出反應-但增加視覺提示可以使蒼蠅更好地定向。“問題是,指南針如何使兩個信息源(轉彎和視覺提示)保持同步?”

一種建議的解釋是,每個視覺神經元都接觸環中的每個指南針神經元。有些聯系比其他聯系更強大。它們的相對強度在蒼蠅的大腦中建立了一張地圖。反復看到特定方向的地標將加強指南針神經元和傳遞有關世界信息的視覺神經元之間的某些聯系。

在這種解釋中,連接具有延展性-能夠隨著時間的流逝而隨著景觀的變化而改變強度。例如,如果關鍵地標出現在不同的位置,則某些連接將減弱,而其他連接將相應增強,從而更新了蒼蠅的思維圖。在野生動物中進行測試是一個復雜的想法。但是有了實驗室中的蒼蠅,科學家們現在可以了。

Fisher和她在HHMI研究人員Rachel Wilson在哈佛的實驗室中的同事將蒼蠅放到了虛擬現實領域,并記錄了他們游蕩時的大腦活動。在黑暗中,果蠅最終失去了方向感-指南針的“顛簸”與蒼蠅指向的方向不匹配。但是,在競技場墻壁上發出單個明亮的光作為路標,使指南針得以保持其準確性。 。

然后,費舍爾和她的同事們從第一盞燈直接穿過了整個舞臺。在這種新的視覺環境中,一些神經元變得聊天,而另一些神經元則變得安靜。幾分鐘后,他們刪除了第二個視覺提示,使蒼蠅返回原始場景。他們發現,大腦重新解釋了原始環境:指南針現在指向了不同的方向。而且在變化的環境中特別健談的神經元已經改變了它們與視覺神經元的聯系-這表明蒼蠅可以隨著時間的推移更新其地圖。

可重寫地圖

與此同時,賈亞拉曼(Jayaraman),金(Kim)及其在簡妮亞(Janelia)的同事們也看到了靈活繪制更復雜視覺場景的跡象。他們將蒼蠅放到了另一個虛擬現實世界中,將昆蟲束縛在葡萄柚大小的房間中的適當位置,但給了它們飛行的幻覺。研究小組表示,隨著時間的流逝,蒼蠅將場景中關鍵視覺特征的定位與某些指南針神經元聯系在一起?吹竭@些視覺線索激活了羅盤的神經元,并告訴蒼蠅它的前進方向。

珍妮莉亞(Janelia)助理做這項研究的金說:“隨著果蠅重復這種經歷,這種關系變得更牢固,隨著時間的推移,它們會加強神經元之間的聯系。” 重要的是,蒼蠅可以在不同的視覺環境中重新進行此操作。

Janelia與金和Jayaraman合作的理論神經科學家之一安·赫蒙德斯塔德(Ann Hermundstad)說:“這條電路的美麗之處在于,它使我們能夠嚴格測試在20或30年前理論化的模型。” “我們現在可以預測指南針在快速處理新設置方面應具有的靈活性,并可以通過新的實驗測試這些預測。”

例如,金(Kim)表示,蒼蠅并不需要總是繞一個完整的圈來繪制地圖。僅僅通過場景的一部分就足夠了。而且,他實際上可以使用稱為光遺傳學的技術來操縱蒼蠅的內部羅盤,以操縱單個神經元,F在,曾經使蒼蠅飛行的神經元認為它向右轉,而是將指南針向左移動。隨著時間的流逝,蒼蠅可以繪制出虛擬現實領域的新地圖-只是倒退。

哈佛大學的威爾遜說,導航涉及一種尚未在電路層進行廣泛研究的學習。與教導動物不同,例如,鈴鐺聲會帶來某種獎勵。取而代之的是,蒼蠅探索環境并隨其自身學習。

威爾遜說,科學家已經將這種學習與哺乳動物的某些大腦區域聯系起來,但是要精確地研究其在復雜的哺乳動物大腦中的工作卻很困難。“這是一個非常具體的例證,說明大腦細胞如何在沒有老師的情況下自下而上地學習事物。”

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