果蠅也能計數嗎?

果蠅也能計數嗎？正如筆者家中養的「貪吃橘貓」，藉著聽到倒餅乾的聲音就能決定要去吃哪一碗，果蠅也能夠「知道」一個氣味他聞到了幾次！在果蠅大腦中的蕈狀體，藉著嗅覺投射神經元(projection neuron, PN)肯楊細胞(Kenyon cell, KC)和蕈狀體輸出神經元(mushroom body output neuron, MBON)，果蠅能夠將氣味分成四類─第一次聞到、第二次聞到、第三次聞到、聞到太多次了(1, 2, 3, many)。結果發表在Nature communications。

試想以下的狀況，不清楚有多少種的衣服，在聖誕節時有大量網購數據不斷加進來，若需要快速、及時的估計每個衣服的購買的次數，該怎麼計算呢？

計數素描(Count sketch)是計算機科學中的一個方法，藉由雜湊演算法(Hashing)將高維、大量、不斷加進來的數據藉著雜湊演算法變成一組稀疏編碼，每次遇到該項目時，就將稀疏編碼對應的數據表加一次。最終就可以得知該種出現的次數上限。舉例來說，我們可以將衣服用2個面向進行分類，分別是長度、胸圍，而這每個面向都有三種範圍，如長度<50的時候為第一種，長度為50~100時為第二種、長度>50的時候為第三種。那麼每一件衣服都可以用這兩個參數、三種數值來表示，因此可以把每種衣服簡化成6個大類。然而衣服的種類肯定遠遠多於這樣的衡量方式，因此這樣的計算方式只能夠知道每種衣服最多出現幾次，過去計算機科學便有提出如何優化參數以及數值的數量，以更準確的估計每種衣服出現的次數。

在果蠅大腦中，氣味訊號會被大約50種的PN送給約2000顆的KC，而透過抑制性神經元的回饋抑制，平均最終只會有約100-200顆KC被活化(圖A)。而這群KC就被認為代表了這個氣味編碼，又因為只有5-10% KC活化，因此稱為稀疏編碼。此外MBON中有一顆MBON-a’3近年被發現負責果蠅偵測”新出現”的氣味。當氣味第一次出現時，MBON-a’3的反應會最大，讓果蠅有類似嚇一跳而躲避的行為。當氣味出現過後，被活化的KC和MBON-a’3的連結會以指數的方式減弱，藉此氣味就逐漸變熟悉(圖B)。

本研究中，作者分析數據後發現，同一個氣味每遇到一次時，MBON-a’3的反應就會衰退0.4倍左右(圖C)，最後有明顯能區分的差異只有遇到1次、2次、3次，3次以上就再也無顯著差異了(圖D)。

他們認為在果蠅大腦中，透過這些KC和MBON的連結強度的衰退，就可以進行如計數素描一樣的演算法，計算該氣味出現的次數。

筆者認為此篇研究嘗試想將計算機科學的演算法和生物進行結合，是個有趣的嘗試，然而氣味在KC的編碼上仍有顯著的不同，譬如，雜湊演算法的雜湊函數是固定的，若有五個，則每個氣味都應該被這五個函數編成一個數值，共有五個數值，然而KC會隨著氣味的濃度、種類而有較大差異，此外在雜湊演算法中，若以每個氣味被200顆KC編碼，則在蕈狀體中共有200群KC，每群有10顆KC，每個氣味是從每一群中挑出1顆KC來編碼，顯然和實際的有所不同。

撰文：強敬哲 C.C. Charng

參考資料：

Dasgupta, S., Hattori, D., & Navlakha, S. (2022). A neural theory for counting memories. Nature communications, 13(1), 5961.