果蠅方向感具有可塑性

方向感能讓生物了解身體朝向與環境之間的關係，讓動物能在空間中探索。在果蠅腦中，頭的方向感主要透過羅盤神經(compass neuron)表示。為了解羅盤神經與視覺刺激的關係，Vivek Jayaraman透過雙光子鈣成像(two-photon calcium imaging)和光遺傳學(optogenetics)在固定飛行的果蠅上進行實驗。

實驗一

雙光子鈣成像用來偵測羅盤神經的活動，而光遺傳學用來刺激羅盤神經。實驗初期先觀測視覺刺激與羅盤神經的關係圖1(a)(d上)。圖1(abc)上的橘色線用來表示空間。之後用光遺傳學刺激羅盤神經特定區域並且給予相對應的視覺刺激圖1(b)(d中)。最後觀測羅盤神經活躍的情形 圖1(c)(d下)。比較圖1(ac)可以發現，在相同的視覺刺激下，羅盤神經活躍的區域差了180度。

圖1

實驗二

實驗初期同上，觀察視覺刺激與羅盤神經的關係圖2(c上)。接著刺激羅盤神經，但這時光遺傳學刺激與視覺刺激的旋轉方向相反 圖2(a)(c中)。最後發現拿掉刺激後，觀察視覺刺激與羅盤神經的關係變相反了 圖2(c下)。

圖2

實驗三

此實驗的光遺傳學刺激只有一半區域 圖3(a)。但拿掉刺激後羅盤神經元還是能完整對應360度的視覺刺激 圖3(c)。

圖3

結論

透過三個實驗能獲的三個結論。第一，果蠅相同的視覺刺激底下，羅盤神經能有不同的對應關係。第二，經過後天訓練視覺刺激與羅盤神經的關係能變成完全相反。最後，只給一半的刺激還是能羅盤神經還是能有完整的對應。羅盤神經的活躍的產生方式還不完全了解，但此篇論文透過實驗發現羅盤神經具有可塑性，讓我們更了解果蠅的方向感如何運作。

撰文：謝明儒

參考資料

Kim, S. S., Hermundstad, A. M., Romani, S., Abbott, L. F., & Jayaraman, V. (2019). Generation of stable heading representations in diverse visual scenes. Nature, 576(7785), 126-131.