神經可塑性幫助果蠅在多樣的環境中建立穩定航向

想像你正在上班或上學的路上，街上的景色再熟悉不過，只需一眼即可知道你所處的位置和將前往的方向，然而，若你是一個初來乍到的旅客，你必須立刻透過感知外在世界來建立一份新的空間地圖，這樣的機制被稱為“地圖重建構(remapping)”，並已在多項老鼠實驗中被發現。此外，近年來發現在果蠅腦中，有個甜甜圈狀的腦區EB(ellipsoid body)，其上有多顆神經元分佈在360度的環上，這些神經被稱為羅盤神經元(compass neuron)，他們的活性會依據果蠅朝向而指向不同方向，並在外界景物移動或果蠅身體旋轉的情形下可進行追蹤[2]。但就像人一樣，我們通常不會感知絕對方位，而是在不同場景下，根據不同參考目標來進行區域性的導航，想像你的腦中也有個方向指針，在房間時，指針可能指向書桌，在廚房時，指針可能指向冰箱，值得注意的是，並不會指向北方或是南方。因此，外在視覺環境如何對應到腦中的方向系統，一直是很大的疑問，來自珍利亞農場研究園區(Janelia Farm Research Campus)的研究團隊，透過呈現不同的視覺景物給果蠅看，並搭配光遺傳學(optogenetics)調控果蠅腦中羅盤指向，顯示神經網路中的可塑性可以讓果蠅在多種視覺環境中，建構出不同的導航地圖，研究成果發表在Nature期刊。

Figure 1. 甜甜圈形EB腦區為果蠅腦中羅盤，顏色區隔出代表不同方向之羅盤神經元 (Credit: Tanya Wolff)

➤內在羅盤表示形式 (heading representation，後文稱羅盤指向)

當果蠅待在任意視覺環境下時，內在羅盤會在某個角度產生局部活性，似於指針指向某個方向。但是當從一種景物換到另一種時，羅盤指向可能會換成其他方向(Fig. 2)。而且不同隻果蠅對於同一種視覺景物的羅盤指向也並不相同[2]。

Figure 2. 在不同外在視覺景物下，內在羅盤指針可能指向不同處(示意圖，非原論文使用之視覺刺激)

➤實驗一：利用光遺傳學改變羅盤指向

如果將一張圖片的某個位置作為參考點(例如一棵樹)，可以計算出羅盤指向和這個參考點的角度偏移量(offset)，若在追蹤同一個景物時，此偏移量不會改變(假設樹木位在果蠅正前方0度，羅盤指向30度，偏移量為30度。當樹木順時針轉60度，羅盤也會順時針轉60度，具有追蹤功能，因此偏移量不變。)透過光遺傳學刺激，研究團隊可以隨意設定一個偏移量，展示一張圖片，並給予羅盤一個特定指向，下個時刻再旋轉圖片，並同時刺激羅盤的相鄰方向，依序進行數輪。結果顯示，果蠅會使用新的羅盤指向來追蹤外界景物，研究團隊也據此推測神經可塑性在其中扮演重要角色。

Figure 3. 光遺傳學調控羅盤指向實驗流程(原論文Fig. 2)

➤實驗二：利用光遺傳學反轉羅盤指向

和實驗一類似，只是此時圖片旋轉方向和光刺激方向相反(Fig. 4)。結果顯示，內在羅盤仍然可以進行追蹤，但轉向和先前的實驗相反。研究團隊有另外提出神經網路模型，模型指出羅盤的反向追蹤最終會被修正回正常的方向，但是在實際的實驗中也許時間不夠長，他們尚未看到修正的情況發生。

Figure 4. 光遺傳學反轉羅盤指向實驗流程(原論文Fig. 3)

➤實驗三：利用光遺傳學給予部分視覺訊息以建立整體方向感

和實驗一類似，只是此時的刺激只給予一半(Fig. 5)，並不是一整圈。結果顯示，即使只有一半的羅盤神經元接收調控，多數果蠅仍然可以建構出新的方向地圖。這可以用我們的經驗做類比，想像你到一個新環境，你並不一定真的會“環顧四周”，即使只依靠眼前出現的景物，也能大致上建立方向感。

Figure 5. 光遺傳學部分刺激建立整體方向感實驗流程(原論文Fig. 4)

➤神經網路模型與Hebbian學習理論

基於已知的神經連結，研究團隊建立了一個神經網路模型。其中Hebbian學習理論在其中擔任要角，簡單解釋即“相互連結的神經，突觸強度會因為神經一同活化而受調控(Cells that fire together wire together.)。”在此模型中，神經可塑性發生在傳入視覺訊息的環形神經元和羅盤神經元間，而且可以快速地將外在視覺景物轉化成穩定的內在羅盤指向，但可塑性調控所需的時間也可避免瞬間出現的物體干擾整體方向地圖的建構。
果蠅的腦中羅盤可以適應不同的視覺環境，並建立起穩定的指向，使他們能夠進行追蹤，根據研究團隊提出的模型，此機制仰賴神經可塑性，但是否和其他可塑性理論一同運作、底層的分子機制為何，仍有待未來進一步解開謎團！


撰稿：黃宣霈 H.P. Huang


原始論文：
Kim, S. S., Hermundstad, A. M., Romani, S., Abbott, L. F. & Jayaraman, V. Generation of stable heading representations in diverse visual scenes. Nature (2019) doi:10.1038/s41586-019-1767-1.
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1767-1

參考文獻：
1. How a fly’s neural compass adapts to an ever-changing world
https://www.nature.com/articles/d41586-019-03443-1
2. Seelig, J. D. & Jayaraman, V. Neural dynamics for landmark orientation and angular path integration. Nature 521, 186–191 (2015).
3. 用光與化學分子控制大腦！(光遺傳學科普文章)
http://lienlabnas.ym.edu.tw/lienlabwebsitecht/index.files/Science_Monthly_559.pdf