果蠅腦中羅盤的動態系統
昆蟲歸巢、候鳥遷徙，許多動物都有屬於自己的方向感(最沒方向感的是…麋鹿XD?)，彷彿內建了GPS在腦中一般。數十年來已經有非常多研究顯示，生物可能根據日月、偏振光(polarized light)、磁場等等因素，來進行導航，但大腦如何處理這些資訊卻仍沒有明確答案。
2015年的一篇論文(1)，研究團隊在果蠅腦中發現一個腦區ellipsoid body(EB)，形狀像個甜甜圈，功能就如一個羅盤一樣，360度的區域中會有一塊特別有活性，稱之為activity bump，這可以讓果蠅知道自己的朝向，簡單來說，當外在地標物水平移動，腦中的活性也會隨之轉動，身處黑暗之下，則能記得地標物消失的位置，甚至自己的身體旋轉，也能隨時更新地標物究竟在何處。
這樣的頭向系統(head-direction system)，過去在老鼠腦中也有發現類似的細胞存在，因此有許多理論被提出，希望能解釋此現象。其中環形吸引子網路(ring attractor networks)的一些特性，如(i)唯一性(只辨認單一方向)、(ii)延續性(外在刺激消失，像在黑暗中，依舊能保持活性)、(iii)可更新性(生物轉向，活性的位置也隨之而變)，這些能符合頭向系統之需求，因此受到許多研究團隊的支持。只是最終還是得明白，究竟生物是否使用了這個環形吸引子網路。今天介紹的這篇論文，於2017年發表在Science期刊，透過光學遺傳學(optogenetics)的方法，直接操縱果蠅腦中EB腦區神經元活性，實驗結果支持了環形吸引子的存在和基本架構。
實驗方法是，將果蠅以針尖懸吊於半空中，讓果蠅看虛擬螢幕的地標物(或全黑暗)，來觀察EB活性變化。研究團隊先發現了一項特性，當地標物消失於A並立刻出現在B，根據刺激強度、A與B之間的角度差距，activity bump可能是連續地滑過去(flow)或是跳過去(jump)。研究團隊主要根據兩種環形吸引子模型(Fig. 1)，這兩種模型差別在於神經元互相刺激、抑制的方式和強度不同(紅色線為興奮性刺激、藍色線為抑制性，粗細代表強度)，首先進行了電腦模擬，找出從flow到jump發生的轉換點，結果顯示當刺激的寬度是π/8(圖中紅點)時，在AB間角度從60至150，local model輸入強度較為固定，反之global model會逐漸上升，且數值比local model來得大。再來，研究團隊實際透過實驗，以光學遺傳法直接刺激EB(簡而言之，他們可以自由決定讓EB上某個區域產生活性)，並選擇了AB間角度90、135、180，最終的實驗結果偏向支持local model。
果蠅腦中的神經元正逐步一條一條的現形，至今(2019)也有一些根據神經元連結的模型被提出，只是都還未能詳細解釋果蠅的各種行為。除此之外，仿生學也會參考動物的導航方式來建立機器人，這又是另外一個故事了…
https://neuroinfo-cclolab.blogspot.com/2019/02/antbot.html
撰稿：黃宣霈 H.P. Huang
原始論文：
S. S.Kim, H.Rouault, S.Druckmann, V.Jayaraman, Ring attractor dynamics in the Drosophila central brain. Science (80-. ). 356, 849–853 (2017).
http://science.sciencemag.org/content/356/6340/849
參考論文：
1. J. D.Seelig, V.Jayaraman, Neural dynamics for landmark orientation and angular path integration. Nature. 521, 186–191 (2015).
2015年的一篇論文(1)，研究團隊在果蠅腦中發現一個腦區ellipsoid body(EB)，形狀像個甜甜圈，功能就如一個羅盤一樣，360度的區域中會有一塊特別有活性，稱之為activity bump，這可以讓果蠅知道自己的朝向，簡單來說，當外在地標物水平移動，腦中的活性也會隨之轉動，身處黑暗之下，則能記得地標物消失的位置，甚至自己的身體旋轉，也能隨時更新地標物究竟在何處。
這樣的頭向系統(head-direction system)，過去在老鼠腦中也有發現類似的細胞存在，因此有許多理論被提出，希望能解釋此現象。其中環形吸引子網路(ring attractor networks)的一些特性，如(i)唯一性(只辨認單一方向)、(ii)延續性(外在刺激消失，像在黑暗中，依舊能保持活性)、(iii)可更新性(生物轉向，活性的位置也隨之而變)，這些能符合頭向系統之需求，因此受到許多研究團隊的支持。只是最終還是得明白，究竟生物是否使用了這個環形吸引子網路。今天介紹的這篇論文，於2017年發表在Science期刊，透過光學遺傳學(optogenetics)的方法，直接操縱果蠅腦中EB腦區神經元活性，實驗結果支持了環形吸引子的存在和基本架構。
實驗方法是，將果蠅以針尖懸吊於半空中，讓果蠅看虛擬螢幕的地標物(或全黑暗)，來觀察EB活性變化。研究團隊先發現了一項特性，當地標物消失於A並立刻出現在B，根據刺激強度、A與B之間的角度差距，activity bump可能是連續地滑過去(flow)或是跳過去(jump)。研究團隊主要根據兩種環形吸引子模型(Fig. 1)，這兩種模型差別在於神經元互相刺激、抑制的方式和強度不同(紅色線為興奮性刺激、藍色線為抑制性，粗細代表強度)，首先進行了電腦模擬，找出從flow到jump發生的轉換點，結果顯示當刺激的寬度是π/8(圖中紅點)時，在AB間角度從60至150，local model輸入強度較為固定，反之global model會逐漸上升，且數值比local model來得大。再來，研究團隊實際透過實驗，以光學遺傳法直接刺激EB(簡而言之，他們可以自由決定讓EB上某個區域產生活性)，並選擇了AB間角度90、135、180，最終的實驗結果偏向支持local model。
果蠅腦中的神經元正逐步一條一條的現形，至今(2019)也有一些根據神經元連結的模型被提出，只是都還未能詳細解釋果蠅的各種行為。除此之外，仿生學也會參考動物的導航方式來建立機器人，這又是另外一個故事了…
https://neuroinfo-cclolab.blogspot.com/2019/02/antbot.html
撰稿：黃宣霈 H.P. Huang
原始論文：
S. S.Kim, H.Rouault, S.Druckmann, V.Jayaraman, Ring attractor dynamics in the Drosophila central brain. Science (80-. ). 356, 849–853 (2017).
http://science.sciencemag.org/content/356/6340/849
參考論文：
1. J. D.Seelig, V.Jayaraman, Neural dynamics for landmark orientation and angular path integration. Nature. 521, 186–191 (2015).
留言
張貼留言