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为了导航,苍蝇会制作世界灵活的心理地图

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11/20/19 |为了导航,苍蝇会制作世界灵活的心理地图

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节点: 主体 | 实体 _ 字段

苍蝇使用视觉线索来巧妙地绘制他们对环境的心理地图。两项新的研究使用虚拟现实来展示如何。

在圆形竞技场中,一只果蝇在被黑色和蓝色灯光照亮的虚拟景观中导航。苍蝇被拴在适当的位置,能够扇动翅膀,但不能移动头部。墙上的图像旋转以产生运动的幻觉。

不过,这不是昆虫嘉年华之旅。霍华德 · 休斯医学研究所 Janelia Research Campus 的研究人员正在使用这个系统来研究果蝇是如何找到自己的方向并构建世界的心理地图的。

现在,詹妮莉亚和哈佛医学院独立进行的两项研究展示了苍蝇的神经罗盘是如何利用视觉线索来改善昆虫的方向感的。2019年11月20日发表在《华尔街日报》上的两项研究表明,苍蝇的心理图谱具有惊人的可塑性自然

科学家实际上可以通过修补昆虫的神经罗盘来改写它们的方向感。只要有几条视觉信息,苍蝇就可以建立一张新的周围环境地图。

HHMI 汉娜 · 格雷研究员伊维特 · 费希尔说,理论研究已经解释了大脑中的空间地图是如何适应新的视觉物体的哈佛研究的主要作者。"但是没有人从机械的层面上看到过它."

加利福尼亚大学的神经科学家金成秀说,这些发现为大脑如何构建一个稳定的场景地图提供了新的见解,同时也保持了足够的灵活性来适应新的场景, 圣巴巴拉在 Janelia 领导这项研究的人。费希尔补充道,这项工作对其他动物如何在野外航行也有启示,从蚂蚁和大甲虫这样的昆虫到老鼠这样的哺乳动物,甚至可能还有人类。

在这里展示的虚拟现实竞技场内,墙上的图像会诱骗苍蝇认为它们在移动,即使它们是在显微镜下固定的。科学家们正在利用这个装置来研究帮助苍蝇构建其周围环境的心理地图的神经元。信用: 布莱恩 · 琼斯

方向感

像人类一样,苍蝇可以利用环境中的地标快速定位自己,构建周围风景的心理地图。

珍妮利亚高级小组组长说,苍蝇大脑中有一个 “指南针神经元” 环,反映了苍蝇在太空中的方位Vivek Jayaraman他的实验室在过去的研究中显示。当一只苍蝇面对一个特定的方向时,在环周围的某个地方会有一个神经元活动的碰撞。当苍蝇转动时,凸起会移动以反映苍蝇的新方向,就像罗盘针一直旋转到北方。

Jayaraman 说,这些罗盘神经元对苍蝇即使在漆黑的情况下也会做出反应 -- 但是添加视觉线索会给苍蝇更好的方向感。“问题是,指南针如何保持两个信息来源 -- 转弯和视觉线索 -- 的同步?”

一个提出的解释是,每个视觉神经元都接触到环中的每个罗盘神经元。有些联系比其他联系更牢固; 它们的相对强度在苍蝇的大脑中建立了一张地图。在特定的方向上反复看到一个里程碑将加强指南针神经元和传递世界信息的视觉神经元之间的一些联系。

在这个解释中,这些连接是有延展性的 -- 能够随着时间的推移改变强度来响应风景的变化。例如,如果一个关键里程碑出现在不同的位置,一些联系会减弱,另一些会相应加强,更新苍蝇的心理地图。在野生动物身上测试是一个复杂的想法。但是有了实验室里的苍蝇,科学家现在可以了。

费希尔和她的同事在 HHMI 调查员雷切尔 · 威尔逊哈佛大学的实验室将苍蝇放入虚拟现实竞技场,记录它们漫步时的大脑活动。在黑暗中,苍蝇最终失去了方向感 -- 指南针的 “碰撞” 与苍蝇指向的方向不匹配。但是把一盏明亮的灯作为路标照射在竞技场的墙上,让指南针保持了它的准确性。

然后,费希尔和她的同事增加了第二盏灯,从第一盏灯直接穿过竞技场。在这个新的视觉环境中,一些神经元变得更健谈,而另一些变得更安静。几分钟后,他们移除了第二个视觉提示,将苍蝇返回到原来的场景。他们发现,大脑已经重新解释了最初的环境: 指南针现在指向了一个不同的方向。在变化的环境中特别健谈的神经元已经改变了它们与视觉神经元的联系 -- 这表明苍蝇可以随着时间的推移更新它的地图。

可重写地图

与此同时,Jayaraman 、 Kim 和他们在 Janelia 的同事也看到了灵活绘制更复杂视觉场景的迹象。他们把苍蝇放在一个不同的虚拟现实竞技场,把昆虫拴在葡萄柚大小的房间里,但给它们飞行的幻觉。该小组显示,随着时间的推移,苍蝇将场景中关键视觉特征的定位与某些罗盘神经元联系起来。看到这些视觉线索激活了罗盘神经元,并告诉苍蝇它朝哪个方向飞行。

“随着苍蝇重复这种经历,这种关系变得更加牢固,随着时间的推移加强了神经元之间的联系,” 金说,他是 Janelia 的一名助理,从事这项研究。重要的是,苍蝇可以在不同的视觉环境中重新做到这一点。

“这个电路的一个优点是它允许我们严格测试二十或三十年前理论化的模型,” 他说Ann Hermundstad,Janelia 的理论神经科学家之一,他与 Kim 和 Jayaraman 合作。“我们现在可以预测指南针应该有多灵活来快速处理新的设置,并且可以用新的实验来测试这些预测。”

例如,金表明苍蝇并不总是需要转一整圈来绘制地图。只要穿过场景的一部分就足够了。此外,他实际上可以使用一种叫做光遗传学的技术来翻转苍蝇的内部罗盘,从而操纵单个神经元。现在,曾经让苍蝇认为它在向右转的神经元,而不是向左移动指南针。随着时间的推移,一只苍蝇可以制作虚拟现实竞技场的新地图 -- 只是向后看。

哈佛大学的威尔逊说,导航涉及一种尚未在电路层面广泛研究的学习。例如,与教动物不同的是,钟声会带来某种奖励。相反,苍蝇探索一个环境,并在前进的过程中独立学习。

威尔逊说,科学家已经将这种学习与哺乳动物的某些大脑区域联系起来,但是很难确切地研究它在复杂的哺乳动物大脑中是如何工作的。“这是一个非常具体的例子,说明脑细胞如何在没有老师的情况下自下而上地学习事物。”

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引用

Sung Soo Kim,Ann M.Hermundstad,Sandro Romani,L.F.Abbott 和 Vivek Jayaraman。“不同视觉场景中稳定航向表示的生成,”自然。2019年11月20日在线发布。Doi: 10.1038/s41586-019-1767-1。

Yvette E.Fisher,Jenny Lu,Isabel d 'alessandro 和 Rachel I.Wilson。“感觉运动经验将视觉输入重新映射到航向网络,”自然。2019年11月20日在线发布。Doi: 10.1038/s41586-019-1772-4。