神經迴路的向量運算

目前對於果蠅方向感的研究發現，扇形體(fan-shaped body)的神經訊號能追蹤異心的 (allocentric) 行進方向，也就是參考外界訊號所獲的的方向。但對於果蠅個體中心的 (egocentric) 行進方向，也就是以身體軸為參考的行進角度，卻了解甚少。因此 Gaby Maimon 的研究團隊發現了一個神經迴路，該迴路透過旋轉和收縮四個向量，而這四個向量和表示果蠅的個體的行進方向。

PFNd和PFNv 細胞

在前腦橋 (Protocerebral Bridge) 和 h∆Bs 之間有兩組不同的神經細胞，PFNdS (圖1a 棕色)會傳遞前腦橋的訊號到 h∆Bs 的軸突，另一方面，PFNvS (圖1b 橘色)會傳送訊號到h∆Bs 的樹突。在前腦橋會有兩組神經活躍區(左右)，都會傳送訊號到h∆Bs的樹突和軸突，因此總共會有四組訊號。透過鈣離子成像觀察神經的活躍狀況，並且用正弦波去擬合神經訊號 (圖1de)，擬合的振幅表示向量的大小；相位表示向量的角度。

圖1

實驗與建模

點光源在不同方向的膨脹收縮，分別表示果蠅不同方向前進與後退。並且觀察四組神經的活躍狀況。結果發先每組神經有各自最活躍的角度 (圖2m)。將4組訊號擬合出的向量對準最活躍角後相加，其朝向剛好與果蠅的行進方向相同 (圖2i-l)。最後透過模型預測果蠅的行進方向，其結果與實驗非常相近(圖2o)

圖2

結論

果蠅先前的實驗停留在追蹤外界視覺刺激。而作者擬合四組神經訊號產生四個向量，透過實驗發現每個向量都有偏好角度，而且四個向量合的方向與果蠅的行進方向幾乎相同。整個實驗發現能清楚的量化果蠅本身的前進方向。

撰文：謝明儒

參考資料

Lyu, C., Abbott, L. F., & Maimon, G. (2020). A neuronal circuit for vector computation builds an allocentric traveling-direction signal in the Drosophila fan-shaped body. bioRxiv.