果蠅大腦揭示了外部刺激成為行為的神經(jīng)通路

每天，人們都會(huì)對(duì)無數(shù)外部刺激做出反應(yīng)，外部世界的活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致特定行為。一輛迎面而來的汽車導(dǎo)致繁華城市中的行人跳回路邊。有人講了一個(gè)讓你發(fā)笑的笑話。你叫某人的名字導(dǎo)致那個(gè)人停下來轉(zhuǎn)身。

雖然看似瞬間，但我們對(duì)生活中許多景象和聲音的反應(yīng)是神經(jīng)通路選擇最終決定我們行為的信息的結(jié)果。例如，行人不會(huì)后退到所有移動(dòng)車輛的路邊，只有那輛駛向他。

大腦如何識(shí)別行為上有用的——或行為學(xué)上相關(guān)的——信息，然后將其轉(zhuǎn)化為行動(dòng)一直很難理解。然而，根據(jù)發(fā)表在《神經(jīng)元》雜志上的一項(xiàng)研究，對(duì)這一過程最完整的認(rèn)識(shí)之一現(xiàn)在可能來自果蠅(Drosophilamelanogaster)相對(duì)簡單的微小大腦。

普林斯頓大學(xué)的研究人員追蹤了雄性求愛的雌性果蠅的神經(jīng)活動(dòng)，以捕捉外部刺激導(dǎo)致行為改變的過程。他們監(jiān)測(cè)了雌性聽覺通路中的腦細(xì)胞，并可以觀察到從雄性引起她的興趣到她決定可能交配的那一刻她的神經(jīng)活動(dòng)。

墨西蠅腦

普林斯頓大學(xué)的研究人員使用果蠅的大腦來捕捉大腦識(shí)別外部環(huán)境中對(duì)行為有用的信息并使用它來確定我們的行為的過程。他們將小電極連接到雌性果蠅大腦聽覺通路中的單個(gè)神經(jīng)元，以記錄當(dāng)她聽到雄性交配歌曲時(shí)的電活動(dòng)，雄性通過振動(dòng)翅膀產(chǎn)生這種歌曲。果蠅大腦圖(上圖)突出顯示了研究中包含的所有七個(gè)大腦神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)，不同的顏色對(duì)應(yīng)于不同的神經(jīng)元。盡管神經(jīng)元結(jié)構(gòu)存在很大差異，但所有神經(jīng)元對(duì)雄性蒼蠅歌曲的反應(yīng)都非常相似。(圖片由普林斯頓神經(jīng)科學(xué)研究所JanClemens提供)

一只雄性果蠅通過振動(dòng)翅膀發(fā)出的“歌曲”來吸引潛在配偶的注意。被追趕的雌性從雄性身邊跑開，但當(dāng)她聽到喜歡的歌曲時(shí)，會(huì)放慢速度讓雄性靠近。

通過他們的研究，普林斯頓大學(xué)的研究人員率先報(bào)告了促使雌性果蠅改變其行為的特定歌曲特征。雌性對(duì)長度為數(shù)十秒的較長歌曲“回合”或片段有反應(yīng)。研究人員使用這些行為數(shù)據(jù)以及來自雌性果蠅聽覺通路中神經(jīng)元的電記錄來構(gòu)建果蠅大腦的計(jì)算機(jī)模型，該模型可以正確預(yù)測(cè)雌性會(huì)響應(yīng)的歌曲長度。分子生物學(xué)教授MalaMurthy解釋說，這些結(jié)果提供了一個(gè)清晰且

相對(duì)簡單的圖表，說明了通常由更復(fù)雜的大腦(例如人類大腦)執(zhí)行的刺激到行為的神經(jīng)過程。普林斯頓神經(jīng)科學(xué)研究所。果蠅大腦包含大約100,000個(gè)神經(jīng)元，而普通成年人的大腦包含大約1000億個(gè)神經(jīng)元。果蠅大腦通常在神經(jīng)科學(xué)中進(jìn)行研究，因?yàn)闀r(shí)間和功能與更高級(jí)的大腦相似，但在更容易觀察的規(guī)模上。

研究人員率先確定了促使雌性果蠅交配的雄性果蠅交配歌曲的具體特征。通過觀察女性神經(jīng)元對(duì)男性歌曲的反應(yīng)(上圖)，研究人員發(fā)現(xiàn)女性對(duì)長度為數(shù)十秒的較長歌曲“回合”或片段有反應(yīng)。對(duì)較長歌曲片段的敏感性可能允許雌性果蠅根據(jù)雄性果蠅持續(xù)發(fā)出長歌的能力來確定雄性果蠅的健康狀況。這類似于一個(gè)人如何在一段時(shí)間內(nèi)積累信息以做出決定。

普林斯頓神經(jīng)科學(xué)研究所JanClemens制作的音頻視頻文件

研究人員率先確定了促使雌性果蠅交配的雄性果蠅交配歌曲的具體特征。通過觀察女性神經(jīng)元對(duì)男性歌曲的反應(yīng)(上圖)，研究人員發(fā)現(xiàn)女性對(duì)長度為數(shù)十秒的較長歌曲“回合”或片段有反應(yīng)。對(duì)較長歌曲片段的敏感性可能允許雌性果蠅根據(jù)雄性果蠅持續(xù)發(fā)出長歌的能力來確定雄性果蠅的健康狀況。這類似于一個(gè)人如何在一段時(shí)間內(nèi)積累信息以做出決定。(普林斯頓神經(jīng)科學(xué)研究所JanClemens的音視頻文件)

Murthy說，與人類和其他生物相關(guān)的是研究人員發(fā)現(xiàn)果蠅大腦使用特定模式來識(shí)別外部刺激，進(jìn)而影響行為。她說，對(duì)較長歌曲片段的敏感性可能會(huì)讓雌性果蠅根據(jù)雄性果蠅持續(xù)發(fā)出長歌的能力來判斷雄性果蠅是否適合。這類似于一個(gè)人如何在一段時(shí)間內(nèi)積累信息以做出決定。過去很少有研究表明昆蟲具有這種能力——相反，它被認(rèn)為是“更復(fù)雜大腦的領(lǐng)域，”Murthy說。

“我們還不了解人腦如何進(jìn)行這種模式識(shí)別，”Murthy說。“能夠在任何系統(tǒng)中解決這個(gè)問題都是有用的。它讓我們從環(huán)境中的模式一直到有機(jī)體的行為來觀察神經(jīng)活動(dòng)。

“目前，還沒有一種神經(jīng)假體可以挽救患有影響溝通和感知的疾病的個(gè)體的感知功能，”Murthy繼續(xù)說道。“因此，了解神經(jīng)元少得多的大腦如何在與人類語音感知相關(guān)的時(shí)間尺度上完成模式識(shí)別，例如，可以為此類技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。”

了解一個(gè)人對(duì)外界活動(dòng)做出反應(yīng)的神經(jīng)過程是聯(lián)邦BRAIN(通過推進(jìn)創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)進(jìn)行大腦研究)計(jì)劃的主要目標(biāo)，該計(jì)劃于2013年宣布，旨在繪制大腦所有神經(jīng)元的活動(dòng)圖.Neuron的研究部分得到了美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)向Murthy提供的BRAINInitiative資助。

Murthy說：“對(duì)我來說，能夠解決一些非常復(fù)雜的問題并開始逐步解決問題以找到相關(guān)的神經(jīng)元來建立這些聯(lián)系是令人興奮的。”“我們想知道大腦如何解決問題、產(chǎn)生行為并與世界互動(dòng)。這就是我們?cè)谶@里開始做的。我認(rèn)為這本質(zhì)上是令人興奮的。”

Murthy實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員、共同第一作者JanClemens說，這項(xiàng)研究是首次對(duì)任何生物進(jìn)行的研究，以捕捉與自然社會(huì)行為相關(guān)的大腦活動(dòng)。Clemens和Murthy與共同第一作者CyrilleGirardin合作，CyrilleGirardin曾是Murthy小組的博士后研究員，現(xiàn)在是瑞士弗里堡大學(xué)的資助專家;獲得博士學(xué)位的皮普·科恩(PipCoen)。2015年獲得普林斯頓神經(jīng)科學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)為倫敦大學(xué)學(xué)院博士后研究員;Murthy實(shí)驗(yàn)室高級(jí)研究專家管曉娟;和巴里·迪克森(BarryDickson)，他是弗吉尼亞州霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所Janelia研究園區(qū)的研究員。

“很少有研究能夠?qū)⑸窠?jīng)編碼與行為學(xué)相關(guān)的感覺特征和自然行為聯(lián)系起來，”克萊門斯說。

“這是一個(gè)難題，主要有兩個(gè)原因。首先，人們通常不知道感官環(huán)境的哪些特征與行為學(xué)相關(guān)，”他說。“其次，將自然感覺信號(hào)和自然行為與神經(jīng)代碼聯(lián)系起來通常需要對(duì)動(dòng)物在其自然感覺環(huán)境中的行為進(jìn)行系統(tǒng)記錄，但由于技術(shù)上的困難，這很少能實(shí)現(xiàn)。”

雌性果蠅會(huì)對(duì)雄性歌曲做出反應(yīng)——這是一種自然的、與行為學(xué)相關(guān)的行為。知道這一點(diǎn)后，普林斯頓大學(xué)的研究人員還必須捕捉雌性果蠅在聽到這首歌時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)。為此，他們將極小的電極連接到雌性果蠅大腦早期聽覺通路中的單個(gè)神經(jīng)元，以記錄它們向雌性果蠅播放雄性歌曲時(shí)的電活動(dòng)。研究人員建立了這些神經(jīng)反應(yīng)的計(jì)算模型，然后使用這些模型來檢查對(duì)他們錄制的大約4,000分鐘的自然求愛歌曲的反應(yīng)。這使研究人員能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)雌性蒼蠅在聽到最佳長度的歌曲時(shí)的行為。

華盛頓大學(xué)計(jì)算神經(jīng)科學(xué)專業(yè)的研究生RichPang和副教授AdrienneFairhall在對(duì)發(fā)表在Neuron上的研究進(jìn)行回顧時(shí)寫道，普林斯頓大學(xué)的研究人員展示了如何“超越”在實(shí)驗(yàn)室中記錄自然行為的困難環(huán)境。這項(xiàng)工作為探索其他果蠅行為(例如雌性移動(dòng)的方向)的感官影響提供了一種很有前途的方法。

“最近的工作，”Pang和Fairhall寫道，“極大地鼓舞了人們，即控制這種由感官驅(qū)動(dòng)的決定的神經(jīng)基質(zhì)將是可解碼的。”