果蝇如何利用头部方向的内部表征来支持目标导向导航

Josiah01

众所周知，动物的行为依赖于将感觉信息转化为运动指令，而这通常受到动物内部需求的影响。虽然哺乳动物和其他大型动物的这一过程由复杂的大脑过程支持，但更简单的版本也可能指导包括昆虫在内的较小生物体的行为。
当没有感官线索时，为了规划自己的行动，一些动物已经进化到依靠与周围环境关系的内部表征来行动。这些表征可能包括与头部方向相关的信息，或由位置细胞（海马体中的神经元，形成环境的内部“地图”）收集的信息。
霍华德·休斯医学研究所的研究人员最近探索了果蝇如何同时绘制新环境并利用这些内部表征来学习要追求的目标。他们的论文发表在《神经元》杂志上，为内部表征如何引导动物的目标导向行为提供了新的见解。
Chuntao Dan、Brad K. Hulse 及其同事在论文中写道：“将目标锚定到空间表征上可以实现灵活的导航，但在必须同时获得两种表征的新环境中，这很有挑战性。我们提出了一个框架，说明果蝇如何利用头部方向 (HD) 的内部表征在选择性热强化的基础上构建目标表征。”
研究人员对普通果蝇（Drosophila melanogaster）进行了实验。研究人员利用热量来调节果蝇的行为，这与重复视觉模式的不同情况有关。
这些视觉模式改变了果蝇内部的 HD 表征，使研究人员能够观察到 HD 表征的进化如何与果蝇的目标相互作用，最终塑造它们的行为。研究人员利用机器学习算法和之前对果蝇的研究收集的数据，试图确定这些过程如何在昆虫大脑中一个被称为中枢复合体 (CX) 的区域内进行。
“我们表明，在操作性视觉学习范式中，苍蝇使用随机生成的注视点和定向扫视来表达方向偏好，而 HD 神经元需要根据强化来修改这些偏好，”Dan、Hulse 及其同事写道。“我们使用对称视觉设置来揭示苍蝇的 HD 和目标表征如何共同进化，以及这些相互作用表征的可靠性如何影响行为。”
这项最新研究的成果为果蝇在最初体验新环境时如何同时绘制周围环境地图并将内部目标与创建的地图联系起来提供了新的见解。通过使用计算模型分析实验数据和之前收集的结果，研究人员创建了一个框架，描述了果蝇的大脑如何在新环境中支持昆虫的目标导向行为。
“我们描述了快速学习新目标方向如何依赖于一种行为策略，该策略的参数灵活，但其形式在电路架构中以遗传方式编码，”丹、赫尔斯及其同事写道。“这种进化结构架构可实现由内部表征驱动的快速适应行为，可能适用于所有物种。”
虽然该团队在果蝇身上进行了实验，但他们发现的类似电路结构和过程也可能存在于其他物种中。未来采用基因技术的研究可以进一步揭示研究人员发现的介导目标导向学习过程的细胞，或者有助于识别其他动物中的类似过程。