解碼果蠅大腦：從味覺到梳理行為的神經運算之謎
動物在日常生活中進行複雜的感官處理，如尋找食物或進行日常活動時，依賴於不同感官的整合處理。這些多模式感官信號，例如味覺和機械感覺，會通過神經網路的處理最終轉化為行為反應。果蠅中央大腦連接體（connectome）為研究這些感官處理提供了豐富的數據。果蠅的連接體由超過10萬個神經元和5千萬個突觸連接組成，是研究感覺運動轉換的絕佳範例。此篇研究利用LIF（leaky integrate-and-fire）模型來模擬果蠅中央大腦，並探討其在進食和梳理行為中的感覺運動轉換機制。
首先，作者建立了一個基於神經元連接體和神經遞質分類的計算模型，來預測與進食和梳理行為相關的神經元反應(圖1b)。實驗中，作者將果蠅置於不同刺激環境中，觀察模型預測的神經元如何對味覺（如糖和水）及機械感覺（如天線機械刺激）作出反應。初步結果顯示，當糖感覺神經元被激活時，模型成功預測了許多下游神經元的響應，例如 MN9 運動神經元，它負責控制口器的伸展行為（圖1c）。
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| 圖1 |
在進一步的研究中，作者比較了多模態感官信號的整合。文章特別關注糖、苦味和Ir94e感覺神經元的互動。實驗發現，當糖感覺神經元被激活時，會引發一系列下游神經元的強烈反應，這些神經元與進食行為密切相關。相比之下，苦味和Ir94e神經元的激活則會抑制進食行為，這說明這些感覺神經元之間存在一定的對抗關係。
接著，作者進一步探討了單一神經元在不同感官刺激下的反應整合。作者分析了特定神經元對糖和氣流刺激的反應強度，並發現某些神經元對特定刺激的偏好性極強。這些神經元的反應也受神經遞質的影響，顯示了在單細胞層級上，感官信號的處理具有相當的多樣性。例如: 部分神經元在糖和水同時呈現時，會顯示出更強烈的活動，這反映出糖和水的感覺信號在中樞神經系統中存在重疊處理(圖2)。
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| 圖2 |
最後，作者使用機械感覺刺激來檢驗模型在梳理行為中的應用。在antennal grooming circuit的刺激實驗中(圖3a)，果蠅的特定神經元群被激活，模型成功預測了那些參與梳理行為的神經元，包括 aBN1 和 aBN2。當這些神經元被激活時，果蠅會展現出典型的梳理反應，模型的預測與實驗結果高度一致，證實了機械感覺神經元在梳理行為中的關鍵作用（圖3d）。
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| 圖3 |
此篇研究展示了基於果蠅中央大腦連接體的計算模型，該模型成功預測了進食和梳理行為中的感覺運動轉換機制。通過比較不同感官刺激的整合，作者發現糖和水的感覺信號有著顯著的重疊，並且這些信號可以共同促進進食行為。未來的研究可以進一步探討這些感覺信號的互動機制，特別是不同感官信息在果蠅大腦中的整合如何影響其行為決策。
撰稿者:周峻廷
資料來源: Shiu, P.K., Sterne, G.R., Spiller, N. et al. A Drosophila computational brain model reveals sensorimotor processing. Nature 634, 210–219 (2024).
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