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研究发现苍蝇可以预测其视觉环境的变化从而执行规避动作

根据芝加哥大学的最新研究,苍蝇可以预测其视觉环境的变化,从而执行规避动作。这种依赖于预测信息来指导行为的建议表明,预测可能是动物神经系统在支持快速行为改变方面的普遍特征。该研究于5月20日发表在《PLOS计算生物学》上。

动物使用其感觉神经系统来获取有关其环境的信息,然后根据所检测到的东西进行某些行为。但是,神经系统需要花费一些时间来处理此感官信息,这意味着在以前的信息已被完全处理之前,环境可能会发生变化。

UChicago的有机生物学与解剖学副教授Stephanie Palmer博士说:“这对捕食者/猎物相互作用非常重要。”“对于一只苍蝇来说,一切都想吃掉你,而你想避免被吃掉。但是,苍蝇的环境正在迅速变化,它们的神经元也迟钝了。我们想研究苍蝇如何执行快速的躲避行为。避免在尚未处理来自其感官系统的持续反馈时被掠食者吃掉。”

为了回答这个问题,研究人员采取了高度跨学科的方法。帕尔默说:“这是一个在开放科学共享的新时代诞生的项目。”“我们能够获得另一组人的精确行为记录,并将其用于理论上的计算神经科学问题:果蝇的视觉系统是否使用对威胁的初步检测做出预测,该威胁可能会在处理其他反馈时跨越时滞时间当苍蝇开始逃避行为时?”

第一作者王思伟博士(帕尔默小组的博士后研究人员)的先前工作着眼于理论模型,该理论模型说明了飞行视觉系统中的运动编码如何工作。Wang说:“我对如何将这些思想扩展到预测上有了想法,这项研究使我能够将模型与现实生活中的行为数据进行比较,以检验我的理论。”

使用飞行视觉系统中神经元之间的连通性的详细图表,研究人员对视觉反应进行了模拟,当它们输入之前记录的行为数据集时。帕尔默说:“我们比较了最佳预测的外观和果蝇的预测的外观,然后我们打开了模拟以试图确定哪些部分对做出这些预测最重要。”

作者首先发现,有关果蝇视觉世界的感官数据经过信息瓶颈,在果蝇的大脑中,一些感官数据被抛弃​​了,因为它们根本没有足够的计算能力来处理其所吸收的信息量。但是,果蝇不能随意丢弃视觉信息,因为其中某些信息可能对做出预测有用。

作者确定了称为轴突间隙连接的结构,该结构是连接神经元的物理通道,它介导此信息瓶颈的最佳形式,对于过滤掉不必要的信息和保留必要的信息以进行预测至关重要。

研究人员进一步发现,参与预测的这些垂直运动感觉神经元的亚群是独特的,因为它也直接与苍蝇的飞行操纵神经元相连。这表明负责控制果蝇行为的神经元直接从负责做出果蝇环境预测的神经元输入。这种直接联系可以解释苍蝇所做的预测如何能够快速影响其行为。

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