果蠅大腦揭示了外部刺激成為行為的神經通路

每天，人們都會對無數(shù)外部刺激做出反應，外部世界的活動會導致特定行為。一輛迎面而來的汽車導致繁華城市中的行人跳回路邊。有人講了一個讓你發(fā)笑的笑話。你叫某人的名字導致那個人停下來轉身。

雖然看似瞬間，但我們對生活中許多景象和聲音的反應是神經通路選擇最終決定我們行為的信息的結果。例如，行人不會后退到所有移動車輛的路邊，只有那輛駛向他。

大腦如何識別行為上有用的——或行為學上相關的——信息，然后將其轉化為行動一直很難理解。然而，根據發(fā)表在《神經元》雜志上的一項研究，對這一過程最完整的認識之一現(xiàn)在可能來自果蠅(Drosophilamelanogaster)相對簡單的微小大腦。

普林斯頓大學的研究人員追蹤了雄性求愛的雌性果蠅的神經活動，以捕捉外部刺激導致行為改變的過程。他們監(jiān)測了雌性聽覺通路中的腦細胞，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活動。

墨西蠅腦

普林斯頓大學的研究人員使用果蠅的大腦來捕捉大腦識別外部環(huán)境中對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神經元，以記錄當她聽到雄性交配歌曲時的電活動，雄性通過振動翅膀產生這種歌曲。果蠅大腦圖(上圖)突出顯示了研究中包含的所有七個大腦神經元的結構，不同的顏色對應于不同的神經元。盡管神經元結構存在很大差異，但所有神經元對雄性蒼蠅歌曲的反應都非常相似。(圖片由普林斯頓神經科學研究所JanClemens提供)

一只雄性果蠅通過振動翅膀發(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，但當她聽到喜歡的歌曲時，會放慢速度讓雄性靠近。

通過他們的研究，普林斯頓大學的研究人員率先報告了促使雌性果蠅改變其行為的特定歌曲特征。雌性對長度為數(shù)十秒的較長歌曲“回合”或片段有反應。研究人員使用這些行為數(shù)據以及來自雌性果蠅聽覺通路中神經元的電記錄來構建果蠅大腦的計算機模型，該模型可以正確預測雌性會響應的歌曲長度。分子生物學教授MalaMurthy解釋說，這些結果提供了一個清晰且

相對簡單的圖表，說明了通常由更復雜的大腦(例如人類大腦)執(zhí)行的刺激到行為的神經過程。普林斯頓神經科學研究所。果蠅大腦包含大約100,000個神經元，而普通成年人的大腦包含大約1000億個神經元。果蠅大腦通常在神經科學中進行研究，因為時間和功能與更高級的大腦相似，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。通過觀察女性神經元對男性歌曲的反應(上圖)，研究人員發(fā)現(xiàn)女性對長度為數(shù)十秒的較長歌曲“回合”或片段有反應。對較長歌曲片段的敏感性可能允許雌性果蠅根據雄性果蠅持續(xù)發(fā)出長歌的能力來確定雄性果蠅的健康狀況。這類似于一個人如何在一段時間內積累信息以做出決定。

普林斯頓神經科學研究所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。通過觀察女性神經元對男性歌曲的反應(上圖)，研究人員發(fā)現(xiàn)女性對長度為數(shù)十秒的較長歌曲“回合”或片段有反應。對較長歌曲片段的敏感性可能允許雌性果蠅根據雄性果蠅持續(xù)發(fā)出長歌的能力來確定雄性果蠅的健康狀況。這類似于一個人如何在一段時間內積累信息以做出決定。(普林斯頓神經科學研究所JanClemens的音視頻文件)

Murthy說，與人類和其他生物相關的是研究人員發(fā)現(xiàn)果蠅大腦使用特定模式來識別外部刺激，進而影響行為。她說，對較長歌曲片段的敏感性可能會讓雌性果蠅根據雄性果蠅持續(xù)發(fā)出長歌的能力來判斷雄性果蠅是否適合。這類似于一個人如何在一段時間內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，它被認為是“更復雜大腦的領域，”Murthy說。

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

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

了解一個人對外界活動做出反應的神經過程是聯(lián)邦BRAIN(通過推進創(chuàng)新神經技術進行大腦研究)計劃的主要目標，該計劃于2013年宣布，旨在繪制大腦所有神經元的活動圖.Neuron的研究部分得到了美國國家科學基金會(NSF)向Murthy提供的BRAINInitiative資助。

Murthy說：“對我來說，能夠解決一些非常復雜的問題并開始逐步解決問題以找到相關的神經元來建立這些聯(lián)系是令人興奮的。”“我們想知道大腦如何解決問題、產生行為并與世界互動。這就是我們在這里開始做的。我認為這本質上是令人興奮的。”

Murthy實驗室的博士后研究員、共同第一作者JanClemens說，這項研究是首次對任何生物進行的研究，以捕捉與自然社會行為相關的大腦活動。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的資助專家;獲得博士學位的皮普·科恩(PipCoen)。2015年獲得普林斯頓神經科學博士學位，現(xiàn)為倫敦大學學院博士后研究員;Murthy實驗室高級研究專家管曉娟;和巴里·迪克森(BarryDickson)，他是弗吉尼亞州霍華德休斯醫(yī)學研究所Janelia研究園區(qū)的研究員。

“很少有研究能夠將神經編碼與行為學相關的感覺特征和自然行為聯(lián)系起來，”克萊門斯說。

“這是一個難題，主要有兩個原因。首先，人們通常不知道感官環(huán)境的哪些特征與行為學相關，”他說。“其次，將自然感覺信號和自然行為與神經代碼聯(lián)系起來通常需要對動物在其自然感覺環(huán)境中的行為進行系統(tǒng)記錄，但由于技術上的困難，這很少能實現(xiàn)。”

雌性果蠅會對雄性歌曲做出反應——這是一種自然的、與行為學相關的行為。知道這一點后，普林斯頓大學的研究人員還必須捕捉雌性果蠅在聽到這首歌時的神經活動。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神經元，以記錄它們向雌性果蠅播放雄性歌曲時的電活動。研究人員建立了這些神經反應的計算模型，然后使用這些模型來檢查對他們錄制的大約4,000分鐘的自然求愛歌曲的反應。這使研究人員能夠準確預測雌性蒼蠅在聽到最佳長度的歌曲時的行為。

華盛頓大學計算神經科學專業(yè)的研究生RichPang和副教授AdrienneFairhall在對發(fā)表在Neuron上的研究進行回顧時寫道，普林斯頓大學的研究人員展示了如何“超越”在實驗室中記錄自然行為的困難環(huán)境。這項工作為探索其他果蠅行為(例如雌性移動的方向)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動的決定的神經基質將是可解碼的。”