Nature:方向感如何产生?科学家揭晓大脑相关机制

2019-11-26 佚名 生物探索

近日,有科学家在《Nature》上揭示了大脑定向系统的相关机制,即将自我定位的相关信息与环境地标相结合,这是精确导航的关键过程。Fisher研究团队和Kim课题组分别通过研究,回答了方向神经元如何对地标位置作出稳妥的反应,如何在新环境下迅速定位的难题。

“出门靠导航,方向靠左右”是现在的普遍现象。想象一下,从地铁站走到拥挤的街道上,如果你是一名常客,可能只需一眼就能知道自己的位置。但如果你从未去过这个地铁站,你可能需要时间来定位自己,留意周围的街道标志、商店或打开导航,不久,你才有了方位,并朝正确的方向出发。



来源:pixabay

近日,有科学家在《Nature》上揭示了大脑定向系统的相关机制,即将自我定位的相关信息与环境地标相结合,这是精确导航的关键过程。Fisher研究团队和Kim课题组分别通过研究,回答了方向神经元如何对地标位置作出稳妥的反应,如何在新环境下迅速定位的难题。



doi.org/10.1038/d41586-019-03443-1

用果蝇来研究大脑定位系统是个极好的例子。研究者发现方向神经元(heading neurons)位于大脑中心复合体中的一个环状的椭球体(ellipsoid body)中,这些细胞对应着所有可能的方向,以提供一个可以用来导航的信号。



位于大脑中央复合体中的方向神经元(用荧光蛋白标记)来源:Tanya Wolff

在熟悉的环境中指明方向

Fisher等人开始测试视觉环神经元和方向神经元之间的联系与变化,他们使用虚拟现实(virtual-reality,VR)系统——果蝇在浮球上行走,一系列灯光围绕着果蝇,并随着其移动而同步闪烁,提供了视觉线索,使果蝇能够定位自己。然后,当果蝇探索这个虚拟环境时,作者测量了从视觉环神经元到方向神经元的输入,此外还利用基因技术来抑制视觉环神经元的活动。

结果发现,视觉神经元被特定角度的视觉线索激活后,进而会抑制方向神经元,由于这种配对的特异性,视觉输入增强了方向神经元的选择偏好。

在新环境中迅速定位

Fisher等研究者向果蝇展示了两种完全相同但是相距180°的视觉线索,在一个模糊的环境中,半圈和全圈产生的视觉线索是一样的。因为果蝇的方向神经元一次只能指向一个角度,所以它们会在两个相反的方向间反复转换,当把果蝇放入单一视觉线索世界,发现视觉输入与方向网络的整个活动关系有时会发生180°变化,视觉输入对方向神经元的强度也有所变化。

结果表明在新的环境中,视觉环神经元和方向神经元间可以形成新的联系,当然,简单的视觉改变是不够的,相反,上游视觉环神经元和下游方向神经元必须有一个协调的激活反应,这导致它们之间抑制性突触连接的强度降低,从而使方向神经元对视觉环神经元的抑制就变得不那么敏感了。这种现象被称为联想可塑性(associative plasticity)。

Kim 等研究团队也做了互补实验,用任意方向的视觉线索刺激果蝇的方向神经元,从而改变神经元的首选方向。刺激期之后,发现方向神经元活动与视觉输入间的偏移保持不变,这极大证明了视觉和方向感相结合的系统学习能力。

结语

这些研究共同建立了果蝇的方向网络——通过视觉环神经元和方向神经元的联想可塑性,加深了我们对产生方向感的神经机制的理解。

此外,除了视觉线索外,其他类型的线索如光偏振等感觉输入、太阳等天象对果蝇的方向感影响也值得考虑,同时需要大量的分子和细胞工作来揭示系统中的突触可塑性规律,这意味着有很丰富的研究前景。

原始出处:

Malcolm G. Campbel, Lisa M. Giocomo. How a fly’s neural compass adapts to an ever-changing world. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-019-1772-4 (2019).

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    2019-11-26 肿肿

    机制研究离临床仍然有距离,不过与临床结合思考,仍然有帮助的,不能仅仅是纯临床思维,转化思维同样重要

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