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二号站:神经科学家解码视觉线索如何重组罗盘神经元的活动



2号站代理Q574900曾经在半夜醒来去洗手间,在黑暗中跌跌撞撞,撞到墙壁或梳妆台上,在你已经走过无数次的房间里,你已经体验过缺乏校准的神经元的影响。
 
 
 
在包括人类在内的许多动物中,准确的方向感是在被称为“头部方向神经元”的脑细胞的帮助下产生的,这种神经元通过整合两种主流信息——视觉地标和基于自我运动的位置估计来实现。
 
 
 
如果没有前者,我们在熟悉地点的导航能力就会下降。但是,有了一个视觉上的里程碑——比如闹钟的光亮或门的阴影——我们的内部环境地图就会更新,我们就可以再次轻松前行。
 
 
 
类似的过程也发生在果蝇身上,它们利用所谓的“罗盘神经元”来跟踪头部和身体的方位。11月20日发表在《自然》(Nature)杂志上的一项新研究中,哈佛医学院(Harvard Medical School)的神经科学家们现在已经破译了视觉线索如何能迅速重组这些罗盘神经元的活动,以保持准确的方向感。
 
 
 
通过追踪果蝇在虚拟现实环境中导航时的单个神经元,研究人员揭示了允许生物体构建其世界空间地图的神经机制,以及与短期记忆有关的过程。
 
 
 
当我们观察罗盘神经元和视觉系统之间的连接模式时,我们发现它们是由视觉经验重塑的。这些变化是在几分钟内发生的,与我们进入一个新环境并探索它时主观经历的时间尺度相一致。对我来说,通过研究一个比罂粟种子还小的大脑,我们可以洞察像空间导航这样复杂的事情,这很了不起。”


虚拟的太阳
 
果蝇的大脑由大约10万个神经元组成,能够做出高度复杂的行为。此前的研究表明,在导航过程中,罗盘神经元(也称为E-PG神经元)对果蝇感知方向的能力至关重要。
 
 
 
这些神经元被排列成一个环,就像指南针的刻度盘。当苍蝇移动时,相应的神经活动“肿块”会像指南针一样绕着圆环移动——如果苍蝇旋转90度,肿块也会旋转90度。
 
 
 
在黑暗中,由于缺乏视觉线索,这种“针”的准确性降低了,因为生物体只能估计自己的运动来导航。但如果有一个视觉提示,针就会弹回原位,准确地反映苍蝇的方向。
 
 
 
为了研究视觉输入是如何改变这一过程的,威尔逊和他的团队——包括主要研究作者、神经生物学研究员伊维特·费希尔(Yvette Fisher);陆小姐,博士研究生;研究助理伊莎贝尔·达莱山德罗(Isabel D’alessandro)进行了一系列实验,将虚拟现实与高能显微镜技术结合起来。
 
 
 
他们用胶水把一只苍蝇固定在一个大头针上,然后把它放到一个泡沫塑料球上,让它在空气柱上无摩擦地漂浮。在视觉全景的包围下,苍蝇移动它的腿来行走和旋转,导致球旋转,并给出苍蝇运动的精确测量。一种被称为双光子显微镜的成像技术允许研究人员在果蝇在虚拟现实中导航时,将其大脑中单个神经元的活动可视化。
 
 
 
研究人员给果蝇提供了一种视觉提示——一种无法接近的光点,代表太阳,昆虫利用太阳进行长距离导航。
 
 
 
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起初,苍蝇会试图接近虚拟的太阳。一段时间后,它们会以固定的角度与太阳成一条直线;如果光线移动,果蝇会做一个补偿性的转身,回到那个固定的角度,表明它们在关注虚拟物体,并利用它来控制航向。
 
 
 
当研究小组观察果蝇的大脑时,他们发现罗盘神经元的活动受到视觉系统相关神经元(R神经元)的影响。具体来说,R神经元以一种空间特异性的方式抑制了罗盘神经元的活动,从而改变了罗盘的方向。
 
 
 
威尔逊说:“基本上,视觉系统的输入似乎推动了指南针的指针,可以说,推动了指南针没有被抑制的部分。”“这将把指南针从错误的方向推向正确的方向。”