我们从哪里获得方向感从哪里获得方向感斑块的考古学(是的,斑块)斑块的考古学(是的,斑块)

如果你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来实现——视觉地标和基于自我运动的位置估计。

如果没有前者,我们在熟悉地点的导航能力就会下降。但是,如果有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,我们就可以轻松地再次上路了。

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。在《自然》杂志上发表的一项新研究中,哈佛医学院(Harvard Medical School,简称HMS)的神经科学家已经破译了视觉线索是如何迅速重组这些罗盘神经元的活动,以保持准确的方向感的。

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,我们发现它们是被视觉体验重塑的,”该研究的资深作者、哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所(Blavatnik Institute)神经生物学领域的马丁家族基础研究教授雷切尔·威尔逊(Rachel Wilson)说。

“这些变化是在几分钟内发生的,与我们进入一个新环境并进行探索时主观经历的时间尺度相一致,”威尔逊说。“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,Wilson和他的团队——包括主要研究作者Yvette Fisher,神经生物学研究员;陆小姐,医学博士。香港中文大学(HMS)及文理学院(Graduate School of Arts and Sciences)学生;研究助理Isabel D’alessandro进行了一系列实验,将虚拟现实与高能显微镜结合起来。

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,昆虫利用它来进行远距离导航。

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。”

塑料的记忆

在果蝇适应之后,研究人员向它们展示了第二个虚拟太阳,与第一个太阳正好相反。这导致罗盘神经元的活动偶尔在180度左右翻转。

当第二个太阳移开时,指南针的活动是变化的——有时它会回到原来的方向,有时相反,有时它会继续前后摆动。

威尔逊说:“这就好像苍蝇对它指向的方向感到困惑或改变了主意。”

研究人员发现,这一过程依赖于罗盘神经元和R神经元的相互作用,特别是它们之间突触或连接点的抑制活性的强度。视觉系统的输入可以在几分钟内重塑这些连接的功能。

因此,视觉线索可以与罗盘神经元中包含的方向表征相互作用,改变它们的活动来重塑罗盘,最终改变苍蝇的方向感。

“让我们兴奋的是,视觉神经元对罗盘神经元的抑制输入模式是可塑的,”威尔逊说。“我们可以通过改变果蝇在虚拟现实中的体验来重组这种功能模式。”

她补充说,这可能与哺乳动物和其他生物有关。当你进入一个新环境时,你常常会觉得自己需要花上几分钟的时间,才能在脑海中勾勒出你所走进的社区、公园或办公室的地图。这就是突触强度发生变化的时间尺度。”

他们的发现为视觉体验如何直接改变方向感知神经元的活动,从而改变大脑对世界内部表征的映射提供了一种机制上的解释。

对这一过程的更好理解也有助于理解一种被称为“非监督学习”的短期学习形式,在这种学习中,大脑的目标是尽可能与自身和环境保持一致,而不受奖励或惩罚的影响。

“短期记忆被编码在戒指里。如果你把灯关掉,它就会记住它前进的方向。”威尔逊说。“你可以观察到,随着时间的推移,苍蝇追踪自己的转弯并整合这些动作来更新指南针,记忆也随之进化。”你也可以看到,随着时间的推移,记忆会慢慢变得越来越不准确。”

当你把灯打开时,指南针就会重新指向正确的答案。我想我们都有过这样的经历,你可以看到一个视觉上的里程碑,感觉到你大脑中的指南针在旋转,然后你就能以不同的方式看世界了。”“我们可以实时观察苍蝇大脑中的动态。”

这项工作得到了HMS神经生物学成像设施(资助P30 NS072030)、美国国立卫生研究院(资助U19NS104655、F30DC017698、T32GM007753)和Howard Hughes医学研究所Hanna H. Gray奖学金的支持。瑞秋·威尔逊是一名HHMI调查员。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/11/researchers-discover-whats-behind-a-sense-of-direction/

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