Nature Neuroscience:果蝇大脑,仿生导航的开路兵

【字体: 时间:2017年09月06日 来源:生物通

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  日本RIKEN脑科学研究所的研究人员在果蝇模型中鉴定了2个独立的飞行导航通路。该研究发表于《Nature Neuroscience》,研究使用的飞行模拟器可对活动中的神经元成像,独立显示自发飞行运动中果蝇大脑的信息处理神经元地标。

  

生物通报道:导航功能涉及寻找食物、居住地和同伴的能力,是大多数动物生存的关键。通常关系到多种信息的组合。项目组长Hokto Kazama解说:“为了节省食物搜寻时间,动物利用地理标记和回忆等线索定位自身所在位置。”这对许多昆虫和哺乳动物来说是一种本能,但科学家们想知道为了完成这项任务,动物脑部是如何运作的。

过去,此类研究主要集中在鸟类和哺乳动物身上,Kazama团队却选择了黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)。课题组认为尽管它们大脑简单微小,但导航能力惊人——不仅需要准确地降落在水果上,还得小心躲避急躁的人类。

果蝇保持飞行时,怎样研究它们的大脑呢?正如通讯作者Hiroshi Shiozaki指出:“最大的问题是如何记录大脑飞行导航活动。如果让头部在空中保持固定,显然会阻止果蝇的自然活动。”

于是,他们设计了这个独特的系统,先固定果蝇头部,然后让它们观看视频屏幕。当果蝇翅膀挥动时,视频场景也相应旋转。在这个虚拟空间中,果蝇展示了其导航活动的线索组合:视觉地标信息和有关飞过路径地标的储存记忆。

接下来,研究小组利用双光子钙成像(two-photon calcium imaging)研究了“虚拟飞行”导航模式下的果蝇脑活动。该技术是这项研究的关键技术,因为它可以记录单个神经元活动。钙成像结果显示,果蝇脑部一个名叫“球(bulb)”的部分携带导航所需的多种信息。

仔细检查发现,bulb内部的信息在物理上相互隔离。例如,一组bulb神经元携带标志性位置记忆,另一组携带所在位置和预计路线信息。“据我们所知,这是首例被发现的神经元能活跃地反射昆虫的一类短时记忆的证据。”Shiozaki补充道。

bulb的内部分区的微纤维球(microglomeruli )最后被证实分别属于两个独立的神经回路中的两条通路。这种类型的组织方式可以确保多类型信息不受干扰地传递流动,同时节省脑部空间。

“昆虫也具有经济的头脑,理解这些生物学原理不仅可拓展神经科学领域认识,还有助于工程师和机器人专家开发具备导航功能的小机器人,”Shoizaki说。

原文标题:Parallel encoding of recent visual experience and self-motion during navigation in Drosophila

延伸阅读:Nature开创性新技术:真正实现自由活体动物实验

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