果蝇大脑揭示了外部刺激成为行为的神经通路

导读 每天，人们都会对无数外部刺激做出反应，外部世界的活动会导致特定行为。一辆迎面而来的汽车导致繁华城市中的行人跳回路边。有人讲了一个让

每天，人们都会对无数外部刺激做出反应，外部世界的活动会导致特定行为。一辆迎面而来的汽车导致繁华城市中的行人跳回路边。有人讲了一个让你发笑的笑话。你叫某人的名字导致那个人停下来转身。

虽然看似瞬间，但我们对生活中许多景象和声音的反应是神经通路选择最终决定我们行为的信息的结果。例如，行人不会后退到所有移动车辆的路边，只有那辆驶向他。

大脑如何识别行为上有用的——或行为学上相关的——信息，然后将其转化为行动一直很难理解。然而，根据发表在《神经元》杂志上的一项研究，对这一过程最完整的认识之一现在可能来自果蝇(Drosophilamelanogaster)相对简单的微小大脑。

普林斯顿大学的研究人员追踪了雄性求爱的雌性果蝇的神经活动，以捕捉外部刺激导致行为改变的过程。他们监测了雌性听觉通路中的脑细胞，并可以观察到从雄性引起她的兴趣到她决定可能交配的那一刻她的神经活动。

墨西蝇脑

普林斯顿大学的研究人员使用果蝇的大脑来捕捉大脑识别外部环境中对行为有用的信息并使用它来确定我们的行为的过程。他们将小电极连接到雌性果蝇大脑听觉通路中的单个神经元，以记录当她听到雄性交配歌曲时的电活动，雄性通过振动翅膀产生这种歌曲。果蝇大脑图(上图)突出显示了研究中包含的所有七个大脑神经元的结构，不同的颜色对应于不同的神经元。尽管神经元结构存在很大差异，但所有神经元对雄性苍蝇歌曲的反应都非常相似。(图片由普林斯顿神经科学研究所JanClemens提供)

一只雄性果蝇通过振动翅膀发出的“歌曲”来吸引潜在配偶的注意。被追赶的雌性从雄性身边跑开，但当她听到喜欢的歌曲时，会放慢速度让雄性靠近。

通过他们的研究，普林斯顿大学的研究人员率先报告了促使雌性果蝇改变其行为的特定歌曲特征。雌性对长度为数十秒的较长歌曲“回合”或片段有反应。研究人员使用这些行为数据以及来自雌性果蝇听觉通路中神经元的电记录来构建果蝇大脑的计算机模型，该模型可以正确预测雌性会响应的歌曲长度。分子生物学教授MalaMurthy解释说，这些结果提供了一个清晰且

相对简单的图表，说明了通常由更复杂的大脑(例如人类大脑)执行的刺激到行为的神经过程。普林斯顿神经科学研究所。果蝇大脑包含大约100,000个神经元，而普通成年人的大脑包含大约1000亿个神经元。果蝇大脑通常在神经科学中进行研究，因为时间和功能与更高级的大脑相似，但在更容易观察的规模上。

研究人员率先确定了促使雌性果蝇交配的雄性果蝇交配歌曲的具体特征。通过观察女性神经元对男性歌曲的反应(上图)，研究人员发现女性对长度为数十秒的较长歌曲“回合”或片段有反应。对较长歌曲片段的敏感性可能允许雌性果蝇根据雄性果蝇持续发出长歌的能力来确定雄性果蝇的健康状况。这类似于一个人如何在一段时间内积累信息以做出决定。

普林斯顿神经科学研究所JanClemens制作的音频视频文件

研究人员率先确定了促使雌性果蝇交配的雄性果蝇交配歌曲的具体特征。通过观察女性神经元对男性歌曲的反应(上图)，研究人员发现女性对长度为数十秒的较长歌曲“回合”或片段有反应。对较长歌曲片段的敏感性可能允许雌性果蝇根据雄性果蝇持续发出长歌的能力来确定雄性果蝇的健康状况。这类似于一个人如何在一段时间内积累信息以做出决定。(普林斯顿神经科学研究所JanClemens的音视频文件)

Murthy说，与人类和其他生物相关的是研究人员发现果蝇大脑使用特定模式来识别外部刺激，进而影响行为。她说，对较长歌曲片段的敏感性可能会让雌性果蝇根据雄性果蝇持续发出长歌的能力来判断雄性果蝇是否适合。这类似于一个人如何在一段时间内积累信息以做出决定。过去很少有研究表明昆虫具有这种能力——相反，它被认为是“更复杂大脑的领域，”Murthy说。

“我们还不了解人脑如何进行这种模式识别，”Murthy说。“能够在任何系统中解决这个问题都是有用的。它让我们从环境中的模式一直到有机体的行为来观察神经活动。

“目前，还没有一种神经假体可以挽救患有影响沟通和感知的疾病的个体的感知功能，”Murthy继续说道。“因此，了解神经元少得多的大脑如何在与人类语音感知相关的时间尺度上完成模式识别，例如，可以为此类技术的发展奠定基础。”

了解一个人对外界活动做出反应的神经过程是联邦BRAIN(通过推进创新神经技术进行大脑研究)计划的主要目标，该计划于2013年宣布，旨在绘制大脑所有神经元的活动图.Neuron的研究部分得到了美国国家科学基金会(NSF)向Murthy提供的BRAINInitiative资助。

Murthy说：“对我来说，能够解决一些非常复杂的问题并开始逐步解决问题以找到相关的神经元来建立这些联系是令人兴奋的。”“我们想知道大脑如何解决问题、产生行为并与世界互动。这就是我们在这里开始做的。我认为这本质上是令人兴奋的。”

Murthy实验室的博士后研究员、共同第一作者JanClemens说，这项研究是首次对任何生物进行的研究，以捕捉与自然社会行为相关的大脑活动。Clemens和Murthy与共同第一作者CyrilleGirardin合作，CyrilleGirardin曾是Murthy小组的博士后研究员，现在是瑞士弗里堡大学的资助专家;获得博士学位的皮普·科恩(PipCoen)。2015年获得普林斯顿神经科学博士学位，现为伦敦大学学院博士后研究员;Murthy实验室高级研究专家管晓娟;和巴里·迪克森(BarryDickson)，他是弗吉尼亚州霍华德休斯医学研究所Janelia研究园区的研究员。

“很少有研究能够将神经编码与行为学相关的感觉特征和自然行为联系起来，”克莱门斯说。

“这是一个难题，主要有两个原因。首先，人们通常不知道感官环境的哪些特征与行为学相关，”他说。“其次，将自然感觉信号和自然行为与神经代码联系起来通常需要对动物在其自然感觉环境中的行为进行系统记录，但由于技术上的困难，这很少能实现。”

雌性果蝇会对雄性歌曲做出反应——这是一种自然的、与行为学相关的行为。知道这一点后，普林斯顿大学的研究人员还必须捕捉雌性果蝇在听到这首歌时的神经活动。为此，他们将极小的电极连接到雌性果蝇大脑早期听觉通路中的单个神经元，以记录它们向雌性果蝇播放雄性歌曲时的电活动。研究人员建立了这些神经反应的计算模型，然后使用这些模型来检查对他们录制的大约4,000分钟的自然求爱歌曲的反应。这使研究人员能够准确预测雌性苍蝇在听到最佳长度的歌曲时的行为。

华盛顿大学计算神经科学专业的研究生RichPang和副教授AdrienneFairhall在对发表在Neuron上的研究进行回顾时写道，普林斯顿大学的研究人员展示了如何“超越”在实验室中记录自然行为的困难环境。这项工作为探索其他果蝇行为(例如雌性移动的方向)的感官影响提供了一种很有前途的方法。

“最近的工作，”Pang和Fairhall写道，“极大地鼓舞了人们，即控制这种由感官驱动的决定的神经基质将是可解码的。”

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