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科学家揭示了果蝇大脑中运动检测器的重要特征

时间:2021-10-22 10:55:00 来源:

苍蝇大脑根据不同类型的细胞(四种,以彩色显示)传输的信号来计算运动,一旦动物开始运动,运动检测就会加快。

马克斯·普朗克神经生物学研究所的科学家的新研究表明,大脑是如何提取这种基本运动信息的,揭示了使下游神经元能够识别运动方向的细胞。

大脑必须快速,准确地分析从眼睛接收到的信号,以便对环境的变化做出快速反应。例如,识别接近的汽车行驶方向的能力对于城市居民的生存至关重要。马克斯·普朗克神经生物学研究所的科学家使用果蝇果蝇的大脑作为模型来研究大脑如何提取这种基本运动信息。在一项新研究中,他们详细描述了使下游神经元能够识别运动方向的细胞。令人着迷的是,这些输入单元的特性与他们最近提出的运动检测器模型完全匹配。此外,细胞会根据动物的状态改变其特征:当苍蝇活动时,细胞对光刺激的反应更快。

识别运动及其方向的能力在我们看来几乎是微不足道和自动的,因为人类主要是通过眼睛来感知周围环境的。但是,由于视网膜的感光细胞只能记录对比度的变化,因此必须在大脑中处理此信息。运动方向只能通过比较相邻信号来计算。存在用于这些计算的各种模型。马克斯·普朗克研究所的亚历山大·波斯特(Alexander Borst)和他的团队研究了这些模型可以应用于大脑神经元回路的程度。他们的测试对象是果蝇果蝇,它是运动感知的大师。

T4和T5细胞是果蝇大脑中第一个以方向选择方式对运动刺激作出反应的神经元。长期以来,人们一直认为这些单元会比较苍蝇视野中两个相邻图像点的信号,并以此方式计算运动方向。但是,这个非常简单的模型无法解释神经生物学家记录的所有经验数据。“因此,我们部门开发了一个模型,其中将三个而不是两个相邻的图像点彼此进行比较,” Alexander Arenz说,解释了当前研究的起点。“我们想用苍蝇脑中的细胞来测试这种模型。”一项新的解剖学研究预先揭示了T4和T5细胞均从四种不同类型的细胞接收输入信号。因此,具有三个输入单元的模型似乎是合理的。

科学家使用一种飞行电影院向苍蝇呈现不同的光刺激,并记录了不同输入细胞类型的反应。结果表明,个体细胞对亮度变化的反应速度和持续时间存在很大差异。通过将有关细胞特征的测量数据输入到网络的计算机仿真中,科学家能够更详细地分析这些差异的重要性。模拟表明,单元之间的测量差异以及由此产生的T4和T5单元接收信号的延迟对于识别运动方向至关重要。该研究的两位第一作者之一迈克尔·德鲁斯(Michael Drews)解释说:“因此,具有三个单元的运动探测器在这些单元中的功能非常好。他补充说:“我们现在必须找出第四个输入单元如何参与该电路。”

为了进一步缩小个体细胞的工作范围,科学家利用了这样一个事实,即当动物移动时,苍蝇大脑会更快地处理视觉印象。“这是可以预料的,因为周围环境在运动时会更快地移过眼睛,”亚历山大·阿伦茨解释说。为了在果蝇大脑中产生这种状态,科学家们刺激了章鱼胺受体,这些章鱼胺在动物运动时会在自然条件下被激活。他们记录的测量结果表明,在这些“活跃条件”下,输入单元的工作速度更快,并且对更高的运动速度做出了更强烈的响应-结果,下游的T4和T5单元也是如此。

“结果令人印象深刻,表明神经元运动检测器可以灵活地适应动物的行为状态,”亚历山大·博斯特总结说。这样,当果蝇高速移动时,它就可以可靠地感知其周围环境的运动。难怪苍蝇很难捉到。

出版物:亚历山大·阿伦茨(Alexander Arenz)等人,“果蝇运动检测器的时间调整取决于其输入元素的动态性”,《当前生物学》,2017年; doi:10.1016 / j.cub.2017.01.051


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