坐落在果蠅大腦的深處，專門的神經(jīng)細(xì)胞將自己編織成一個(gè)小指南針。來自Janelia Research Campus的神經(jīng)科學(xué)家的新結(jié)果闡明了該電路的結(jié)構(gòu)以及共同移動(dòng)羅盤針的神經(jīng)力。

除了揭示果蠅如何導(dǎo)航的細(xì)節(jié)之外，結(jié)果還提供了一個(gè)更宏大和神秘過程的洞察力：大腦如何創(chuàng)建和維護(hù)外部世界的內(nèi)部圖片。Janelia集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)人Vivek Jayaraman說，這種可能性對我們來說是“最激動(dòng)人心的事情”。“這是一個(gè)與認(rèn)知有關(guān)的東西的窗口。”

形狀像甜甜圈的大腦結(jié)構(gòu)充當(dāng)果蠅Drosophila melanogaster的內(nèi)部指南針。形成這種結(jié)構(gòu)的一些神經(jīng)細(xì)胞，稱為橢圓體，起到羅盤針的作用。例如，如果蒼蠅改變方向，一條神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)的方向改變方向也會(huì)隨著蒼蠅的轉(zhuǎn)動(dòng)而從細(xì)胞周圍移動(dòng)到鄰近的細(xì)胞周圍，Jayaraman和Johannes Seelig在2015年的自然報(bào)告中報(bào)道。Seelig是Janelia的前博士后研究員，現(xiàn)在是德國波恩高級歐洲研究和研究中心的組長。

現(xiàn)在，Jayaraman及其同事更進(jìn)一步展示了蒼蠅的大腦是如何產(chǎn)生如此精確的神經(jīng)針的。

一組稱為E-PG神經(jīng)元的橢圓體神經(jīng)細(xì)胞通過有效激活鄰近神經(jīng)元并抑制更遠(yuǎn)的神經(jīng)細(xì)胞來設(shè)置羅盤針，Jayaraman及其同事Sung Soo Kim，HervéRouault和Shaul Druckmann，所有Janelia科學(xué)家報(bào)道5月4日在科學(xué)。那些動(dòng)態(tài) - 附近的激活和遙遠(yuǎn)的壓制 - 有助于在羅盤上保持單一，穩(wěn)定的航向。

但是，Jayaraman和Janelia集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)人Shaul Druckmannshows之間的另一項(xiàng)合作是E-PG神經(jīng)元不能獨(dú)自移動(dòng)指南針。研究人員于5月22日在eLife報(bào)告說，就像指尖精巧地放在一塊ouija板上一樣，另一組稱為P-EN神經(jīng)元的神經(jīng)細(xì)胞會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)針頭。

P-EN神經(jīng)元形成一個(gè)手柄狀結(jié)構(gòu)，位于橢球體上方，在那里它們能夠向E-PG神經(jīng)元發(fā)送信號并接收信息。這些車把神經(jīng)元位于圓形羅盤的頂部，可完美定位以控制羅盤針并響應(yīng)其運(yùn)動(dòng)。Janelia神經(jīng)解剖學(xué)家Tanya Wolff描述的這種空間安排向研究人員提供了系統(tǒng)如何工作的建議。這是“關(guān)于這個(gè)特定電路最美麗的事情之一，”德魯克曼說。“從它如何運(yùn)作的結(jié)構(gòu)中獲得這種直覺是一個(gè)巨大的推動(dòng)力。”

研究人員研究了基因工程的蒼蠅，以便某些神經(jīng)元在活躍時(shí)發(fā)光。Janelia研究科學(xué)家Daniel Turner-Evans隨后使用精密顯微鏡觀察蒼蠅在球上行走時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)。特納 - 埃文斯看著神經(jīng)元發(fā)光，表明E-PG羅盤神經(jīng)元的活動(dòng)。但他也看到了似乎是P-EN神經(jīng)元在蒼蠅轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)移了神經(jīng)活動(dòng)。“你可以看到相互作用，系統(tǒng)的推拉力，”他說。

當(dāng)把手中的P-EN神經(jīng)元檢測到蒼蠅已經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它們將信號發(fā)送到指南針中的E-PG神經(jīng)元，以便在轉(zhuǎn)彎方向上稍微輕推針。“基本上你有一套木偶弦，你可以用這種方式拉動(dòng)活動(dòng)，”Jayaraman說。但這不是一條單行道。關(guān)于蒼蠅當(dāng)前位置的信息然后移回到車把P-EN神經(jīng)元，讓兩組神經(jīng)元都知道飛行的位置。

Janelia博士后助理Stephanie Wegener進(jìn)行的其他實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)蒼蠅轉(zhuǎn)向右側(cè)時(shí)，一些個(gè)體P-EN神經(jīng)元會(huì)響應(yīng)，而當(dāng)蒼蠅左轉(zhuǎn)時(shí)，其他人會(huì)做出反應(yīng)。研究人員懷疑，一些未被發(fā)現(xiàn)的因素可能會(huì)提升飛行的導(dǎo)航能力。“我們決不會(huì)說我們理解一切是如何運(yùn)作的，”韋格納說。“我們非常了解這個(gè)難題的一部分，但它只是一個(gè)大難題的一小部分。”

更多線索來自紐約洛克菲勒大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家蓋比梅蒙的小組。在5月22日在線發(fā)表在“自然”雜志上的一篇論文中，他和同事描述了不同P-EN神經(jīng)元群體所起的導(dǎo)航作用。

他說，由于Janelia獨(dú)特的協(xié)作環(huán)境，Jayaraman和他的同事很快就取得了進(jìn)展。“在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的過程中，你實(shí)際上可以將理論師放在同一個(gè)房間里，不斷與實(shí)驗(yàn)者交談，”他說。“這是一個(gè)奇妙的Janelian事情，易于互動(dòng)，專注于協(xié)作。”Rouault和Druckmann對系統(tǒng)如何工作的理論理解通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了測試，這些實(shí)驗(yàn)提供了研究人員用來改進(jìn)理論的結(jié)果。

采用實(shí)驗(yàn)和理論方法應(yīng)該有助于研究人員深入研究飛行導(dǎo)航系統(tǒng)。“我們很想知道大局，”Jayaraman說。“這個(gè)羅盤如何使用?”

在人類中，方向感只是制定導(dǎo)航?jīng)Q策的眾多因素之一。一個(gè)人通?？梢灾苯幼叩降罔F站，但在炎熱的一天可能會(huì)繞道往市場喝一杯。類似的因素可能會(huì)影響果蠅大腦的決定。“我們想象這種指南針有時(shí)會(huì)用于飛行的某些事情，”Jayaraman說。

他和他的同事正在研究如何研究果蠅中更復(fù)雜的決定。弄清楚果蠅如何創(chuàng)造和使用其環(huán)境模型可以提供關(guān)于我們?nèi)祟惾绾沃牢覀冊谀睦镆约跋乱徊饺ツ睦锏闹匾€索。