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小脑袋,高“智商”:苍蝇也具备预测能力

苍蝇对视觉威胁做出异常快速的逃跑动作(粉红星号)。

当地时间5月20日,芝加哥大学的研究人员在《公共科学图书馆・计算生物学》刊文称,苍蝇可以通过预测视觉环境变化来躲避捕食者。这种通过预测信息指导行为的现象表明:预测能力可能是动物神经系统支持快速行为改变的普遍特征之一。动物利用感觉神经系统接收环境相关信息,然后根据它们检测到的信息改变某些行为。然而,神经系统需要时间来处理这些感官信息,但当接收信息被完全处理后,环境可能又发生了其他变化。

论文作者Stephanie Palmer副教授说:“威胁预测在捕食者/猎物的相互作用中非常重要。对于一只苍蝇来说,很多捕食者都在虎视眈眈,它能做的是尽可能避免被吃掉。苍蝇所处的环境变化迅速,但它们的神经元却很迟钝。苍蝇是如何在感觉系统的反馈还未被处理的情况下,快速执行躲避行为的?对此,我们深感好奇。”

通过对比分析,研究人员发现,涉及苍蝇视觉世界的感官数据流经了一个“信息过滤器”,其中一些感官数据被苍蝇的大脑抛出。它并没有足够的计算能力来处理所有信息。然而,苍蝇不能不加区别地丢弃视觉信息,因为其中一些信息可能有助于预测。

他们确定了一种被称为“轴突缝隙连接”的结构,它是连接神经元的物理通道,也是“信息过滤器”的最佳载体,对于过滤掉不必要的信息、保存必要信息以进行预测都是至关重要的。进一步研究表明,参与预测的垂直运动感觉神经元的一个亚群是独特的,因为它也直接与苍蝇的飞行控制神经元相连。这说明负责预测苍蝇所处环境的神经元直接向控制苍蝇行为的神经元输入信息。这种直接联系可以解释,苍蝇所做出的预测是怎样迅速影响其行为的。

对于此类结构的识别以及苍蝇视觉系统的预测能力,也许能促使人们深入了解其他动物的神经系统的类似预测功能。Palmer说:“破解苍蝇的预测-行为之谜,有助于我们研究其他动物的神经系统。我们将在别的动物身上继续寻找预测引导行为的范例,并验证苍蝇是否具有广泛适用性。”

最终,这种理论神经科学也许能阐明人类大脑的功能。Palmer说:“人类最大的挑战之一是了解大脑的运作机制。对苍蝇的研究成果实际上为我们提供了大脑运作的线索。”论文第一作者Siwei Wang博士补充:“这一结果甚至有助于理解阿尔茨海默氏症这样的神经退行性疾病,因为阿尔茨海默氏症患者的大脑也失去了预测能力。如果从这些苍蝇研究中获得的见解也适用于人类,它们将帮助医学研究者发现治疗的新方案。”

编译:小贝

审稿:西莫

责编:雷鑫宇

期刊来源:《公共科学图书馆・计算生物学》

期刊编号:1553-734X

原文链接:https://phys.org/news/2021-05-brains-possibly-universal-principles.html

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