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神经生物学家描述了通过光变化检测运动的神经细胞

看到物体移动方向的能力对于生存至关重要。只有这样,才有可能躲避捕食者、捕获猎物,或者像现代世界中的人类一样安全地过马路。然而,运动方向并未在感光细胞水平上明确表示,而是必须由后续的神经细胞层计算。马丁斯里德马克斯·普朗克神经生物学研究所的科学家们现在发现,在果蝇中,四类神经细胞参与计算定向选择性信号。这与迄今为止文献中讨论的运动检测数学模型截然不同。

过马路时,了解附近车辆的行驶方向是很有帮助的。然而,眼睛中的各个光敏细胞仅发出局部亮度变化的信号,无论图像点变得更亮还是更暗。在下游神经元网络中检测运动方向。

马克斯·普朗克神经生物学研究所的亚历山大·博斯特和他的团队逐个细胞地揭示了大脑如何根据光的变化计算运动。他们的模型是果蝇,它是运动视觉大师,拥有相对较小的大脑。尽管果蝇大脑中负责运动视觉的区域有超过 50,000 个神经细胞,但研究人员认为该网络足够“简单”,足以让他们了解细胞水平的电路。在之前的研究中,他们表明,与脊椎动物类似,果蝇中的运动是通过两条平行路径检测到的,一条用于移动亮边缘(ON 路径),另一条用于移动暗边缘(OFF 路径)。

科学家们现已成功识别出果蝇非通路中的第一个神经细胞,即 T5 细胞,它可以感知运动方向。这些细胞接收来自四个上游细胞(称为 Tm 细胞)的输入。基于双光子显微镜、电生理学和行为分析的一系列实验表明,Tm 细胞会被“光关”亮度变化特异性激活。相比之下,T5 细胞仅通过特定方向的关闭边缘运动而被激活。T5 细胞中产生定向选择性信号需要所有四个 Tm 细胞的信号。“这是一个令人惊讶的发现,因为运动检测的数学模型只涉及两个输入单元,”该研究的两位主要作者之一艾蒂安·塞尔贝(Etienne Serbe)报告道。另一位主要作者马蒂亚斯·迈耶 (Matthias Meier) 表示:“另一个令人兴奋的发现是,脊椎动物的视觉系统以类似的方式偏离了这些模型。”

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