果蝇视觉系统中非方向选择性LC15神经元编码运动视差实现距离感知的神经机制

本期推荐果蝇距离感知的神经机制研究。为解决动物如何从二维视网膜图像推断三维空间结构这一根本问题，研究团队通过高通量行为筛选和双光子钙成像技术，发现局部运动检测器T4/T5神经元是距离估计的必要条件，并首次揭示视觉投射神经元LC15通过非方向选择性但相对速度调谐的方式编码运动视差信号。该研究为理解神经系统中三维空间信息处理提供了新范式。

　　

在自然界中，动物需要从二维视网膜图像中推断三维环境结构，这个被称为空间视觉的推理过程因视觉信息的固有模糊性而极具挑战性——单个二维图像可能对应无限多种三维空间配置。为了解决这个根本问题，动物进化出多种视觉线索，包括相对大小、遮挡、双眼视差和运动视差等。其中运动视差作为一种重要的单眼深度线索，其原理在于当观察者平移时，视网膜上物体移动的速度与其相对距离成反比：较近的物体移动较快，较远的物体移动较慢。

尽管在灵长类、小鼠、螳螂和蝗虫等多种动物模型中已经发现与距离感知相关的神经信号，但这些神经元在行为中的因果作用及其编码特性的多样性仍然知之甚少。果蝇作为遗传操作的优势模型，其视觉系统拥有丰富的特征选择性神经元，为在细胞类型水平上解析距离感知的神经机制提供了独特机会。

研究人员在《Current Biology》发表的这项研究中，综合运用了高通量行为分析、遗传操作、双光子钙成像和计算建模等技术方法。研究首先建立了高通量缝隙穿越实验平台，通过激光切割走廊和自动翻转系统实现了对数千次缝隙相遇事件的行为追踪；利用shibire^ts温度敏感突变体和dTRPA1通道分别进行神经元沉默和激活操作；采用GCaMP6f进行体内钙信号记录；结合心理物理学工具箱生成视觉刺激和DeepLabCut进行行为姿态分析。

研究结果通过多个维度展开：

高通量缝隙穿越实验平台的建立

研究团队设计了一种新型高通量行为装置，将单个果蝇置于含有四种不同宽度（1、1.5、2和2.5毫米）缝隙的激光切割走廊中，走廊两侧覆盖涂有盐酸小檗碱的玻璃板以防止果蝇爬行。通过伺服电机每8秒翻转走廊180°，利用果蝇固有的负趋地性增加缝隙相遇频率。红外摄像系统记录果蝇行为，自定义图像处理管道将缝隙相遇行为分类为四种类型：缝隙穿越、玻璃绕行、缝隙绕行和撤退。野生型果蝇的穿越概率随缝隙宽度增加而降低，证明该范式能有效检测距离依赖行为。

局部运动检测器T4和T5是距离估计的必要条件

通过视觉线索操纵实验，研究人员发现单眼视觉足以支持距离估计，而沉默主要运动检测器T4和T5神经元完全消除了距离依赖行为。激活T4/T5神经元则产生相反表型，使果蝇更倾向于穿越较大缝隙。这些结果表明运动视差是该行为范式中的主要视觉线索，T4/T5神经元通过检测视网膜上的运动信号为距离估计提供必要输入。

不同行为产生不同的运动视差信号

通过镜像实验和三维追踪，研究人员量化了三种可能产生运动视差线索的行为：头部侧向移动、行走时的点头运动以及向缝隙内 dipping 运动。其中 dipping 运动产生的角速度和角位移比前两种行为高一个数量级，为果蝇提供了最丰富的瞬时运动视差信息。运动盲果蝇和在黑暗中的野生型果蝇的 dipping 持续时间显著缩短，表明视觉距离估计影响尝试穿越的频率。

靶向筛选鉴定距离估计必需的视觉神经元

研究人员对40类视觉神经元进行了系统性沉默筛选，采用保守的统计校正方法（Holm-Bonferroni校正）发现除了T4/T5外，C3、LC15和LC20神经元的沉默也显著影响缝隙穿越行为。其中LC15作为视觉投射神经元，其树突位于小叶（lobula），轴突终止于后腹外侧原脑（PVLP），在先前研究中已知其对运动棒响应但缺乏方向选择性。

LC15对前景和背景相对运动的速度比例调谐

通过体内双光子钙成像，研究人员发现LC15对单独运动棒或宽场运动均无方向选择性，但对联合运动表现出强烈的相对方向选择性：当背景与棒同向运动时（尤其是相似速度时），LC15对运动棒的响应被强烈抑制；而当背景与棒反向运动时，抑制几乎消失。这种相对方向选择性表明LC15可能编码运动视差信号。

相对运动信息用于距离感知的几何基础

通过几何模拟，研究人员证明当观察者同时平移和旋转时（如曲线行走），视网膜速度比与距离比的对应关系取决于特征相对于曲率中心的位置。当前景和背景都朝前向后运动时（对应特征比曲率中心更近），速度比能最好地预测距离比；而当特征位于曲率中心后方时，速度比对距离比的预测能力显著下降。

LC15表现出类视差调谐特性

在最重要的前向运动配置中（棒和背景都朝前向后运动），LC15对三种不同棒速度（20°/s、40°/s、80°/s）的响应曲线在按速度比（背景速度/棒速度）重新绘图时完全重叠，表明LC16编码的是速度比而非绝对速度。解码分析进一步证明LC15响应最好地编码速度比（而非单独速度）的情况只出现在朝前向后运动配置中，与几何模拟预测的最信息丰富条件一致。在行走果蝇中，LC16的这种调谐特性在活动期保持，但在静止期变得不规律，符合运动视差计算发生在运动期间的预期。

研究结论表明，果蝇视觉系统采用并行通道策略进行运动视差基的距离估计：方向选择性的T4/T5神经元检测局部运动信号，而非方向选择性的LC15神经元通过相对速度调谐编码距离信息。LC16的响应特性证明神经系统可以使用非经典的运动视差编码策略，这扩展了对三维空间信息处理机制的理解。该研究不仅建立了从特定神经元类型到距离感知行为的因果联系，还揭示了视觉特征检测器如何通过复杂的响应特性编码世界的三维结构，为理解更广泛视觉系统中的空间视觉计算提供了框架。

这项研究的创新性在于：首次在细胞类型水平确立了运动检测器在距离感知中的必要性；发现了一种新型非方向选择性但相对速度调谐的视差编码神经元；通过几何建模将神经响应特性与行为相关的视觉信息联系起来。这些发现提示在哺乳动物等更复杂视觉系统中也可能存在类似的非经典距离编码神经元，为研究空间视觉的神经机制提供了新思路。