研究地图神经回路参与组合多个感官
结合跨多个感官信息有助于选择合适的行动。虽然许多例子存在这样的协同效应,很少有研究发现神经结构的底层多种感觉的收敛性。特别是,独特的感觉流是否收敛早、晚或在多个水平的感觉处理层次结构是一个悬而未决的问题。使用行为测试,神经元激活屏幕,电子显微镜重建神经系统的果蝇幼虫,霍华德·休斯医学研究所的科学家们Janelia研究校园映射整个神经回路参与结合振动和疼痛感觉用于触发一个逃避行为。
研究人员发现,这两个感觉流收敛在感觉处理的多个层的层次结构。这种多级融合可能促进之间的歧视不同种类的多种感觉的事件。结果公布在网上自然。
“起初我还以为这条赛道会更简单,但是复杂的网络真的可以让动物做一个复杂的计算和对特定信号的组合,“说Janelia组长Marta Zlatic神经生物学家和研究小组的领导人之一。
果蝇,黑腹果蝇,展品的数组不同的逃逸行为,如车削、挖掘,快速爬行和滚动,应对威胁的情况下,包括捕食者攻击引起mechanosensory,或振动,和疼痛的,或痛苦的感觉。
而mechanosensory和疼痛的神经元此前被确认,两个感觉流的中间神经元上收敛,和命令神经元实际上启动滚动响应,还不清楚。映射出这个电路,研究团队使用的Zlatic和阿尔伯特·卡多纳·三管齐下的方法,结合迭代轮行为测试,遗传屏幕识别神经元参与了滚动行为,和重建神经回路的电子显微镜超薄的图像部分脑组织的幼虫。
首先,触发滚动,研究人员使用speaker-emitted模拟振动和疼痛的神经元的激活,分别mechanosensory和捕食者攻击的疼痛的方面。相结合的影响这两个感官信号具有高度协同的组合信号触发滚动有更大概率比单独提示。
接下来,高手,co-first作者研究中,执行一个屏幕数以百计的转基因突变体,每个神经元的表达在不同的子集,由集团领导Gerry鲁宾,吉姆·杜鲁门和Janelia飞光项目团队。高手鉴定神经元,当刺激触发滚动和早期出现的感官神经索处理中心。
并行,在一系列的电子显微镜图片张成一个段的神经索,凯西Schneider-Mizell和卡多纳·重建所有的中间神经元直接下游mechanosensory和疼痛的感觉轴突,使用一个新的开源开发的计算机辅助电路映射方法卡多纳·实验室。这表明两种类型(从几百)一阶中间神经元收到多个突触连接来自感官,而其他人则主要是收到一个输入模式。roll-evoking神经元中确定高手的屏幕是有针对性的mechanosensory和疼痛的轴突。生理研究证实这些一阶中间神经元的信息集成两个模式,响应信号的组合比单独或者提示。
刺激一阶mechanosensory中间神经元结合确定一阶多种感觉的中间神经元导致滚动的可能性增加,这表明他们的输出组合在一个或多个中间神经元更高的处理层。转基因的屏幕还发现了命令神经元——被称为“郎”日语单词的滚动,通过刺激一阶多重中间神经元被激活,最终引发了滚动的行为。
最后,Schneider-Mizell映射出一阶中间神经元之间的通路和五郎命令神经元从超过5000的第二个系列电子显微镜的部分整个幼虫神经系统收集的合著者里克羁绊和Janelia飞EM卡多纳·项目和注册。
电路重建显示一个复杂的多层次,多通道前馈融合体系结构以及多个地方和高阶反馈主题。大脑神经索和通路与多层次的中间神经元五郎在场每一个途径。不同类型的二阶中间神经元结合信息从多种感觉的和unisensory一阶中间神经元跨多个领域和提升到大脑。二阶中间神经元,收到了明显的一阶中间神经原的组合输入,因此不同的组合mechanosensory和疼痛的投入——re-converged再次三阶中间神经元在大脑中。这些三阶中间神经元突触上神经元项目下行神经元输入命令。
在一个单独的通路,多重mechanosensory阶中间神经元和连接到命令神经元通过一组两个中间神经元在神经索,完全绕过大脑。这个途径足以激活大脑神经元的命令即使是删除。然而,大脑通路可能集成信息在所有身体部分和调节命令神经元活动基于全身感官信息。
“很奇怪,感官会合并一次又一次的在很多不同的水平,“Zlatic说。”,但在某种程度上,这是有意义的,因为允许网络优化本身应对特定组合的两个线索。例如,有毒和机械信号的特定组合提出的捕食者。这个网络的权重可以调谐通过经验或进化——对未来的一个有趣的问题。”
Zlatic补充道,多层次,多种感觉的融合架构她的团队发现在果蝇幼虫可能在多种感觉的一般功能电路,使复杂的响应可调到特定的生态需求。这个基因容易处理模型中的多种感觉的电路系统详细调查提供了一个基础结构实现多重计算的电路图案。
卡多纳·实验室了电子显微镜的整个幼虫神经系统可用于研究果蝇幼虫神经系统中其他电路。“我们邀请整个社区,说:“神经系统的特定方面感兴趣的人可以来加入跟踪工作,卡多纳·实验室”“Zlatic说。“如果许多人重建不同电路的兴趣,我们很快就会完成一个连接体的昆虫神经系统和整个协同努力。”
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出版
的高手,凯西·m·Schneider-Mizell理查德·d·羁绊哈维尔·巴尔德斯的话,罗曼Franconville, Marta Rivera-Alba布雷特·d·Mensh克里斯汀·m·布兰森朱莉·h·辛普森詹姆斯·w·杜鲁门阿尔伯特·卡多纳·玛塔Zlatic。多级多通道电路提高果蝇的行为选择。自然,2015年4月20日在线发表。doi: 10.1038 / nature14297
