為了及時(shí)對(duì)環(huán)境的變化作出反應(yīng)，大腦必須快速準(zhǔn)確地分析從眼睛接收到的信號(hào)。例如，識(shí)別接近的汽車移動(dòng)方向的能力對(duì)于現(xiàn)代人在城市中的生存至關(guān)重要。利用果蠅果蠅的大腦作為模型，馬克斯普朗克神經(jīng)生物學(xué)研究所的科學(xué)家們研究了大腦如何提取這種重要的運(yùn)動(dòng)信息。他們現(xiàn)在詳細(xì)描述了使下游神經(jīng)元能夠識(shí)別運(yùn)動(dòng)方向的細(xì)胞。有趣的是，這些輸入單元的特征與他們最近提出的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器模型完全匹配。此外，細(xì)胞根據(jù)動(dòng)物的狀態(tài)改變它們的特征：當(dāng)蠅活躍時(shí)，細(xì)胞對(duì)光刺激的反應(yīng)更快。

人類主要通過他們的眼睛來感知他們的環(huán)境。識(shí)別運(yùn)動(dòng)及其方向的能力對(duì)于我們來說似乎是微不足道的。然而，這種信息必須在大腦中處理，因?yàn)橐暰W(wǎng)膜的光敏感覺細(xì)胞只能記錄對(duì)比度的變化。只能通過相鄰信號(hào)的比較來計(jì)算運(yùn)動(dòng)方向。存在用于這些計(jì)算的各種模型。亞歷山大·博斯特和他在馬克斯普朗克神經(jīng)生物學(xué)研究所的團(tuán)隊(duì)研究了這些模型在多大程度上適用于大腦的神經(jīng)元電路。他們的測(cè)試對(duì)象是果蠅Drosophila，一個(gè)運(yùn)動(dòng)感知大師。

在果蠅的大腦中，T4和T5細(xì)胞是第一個(gè)以方向選擇性方式響應(yīng)運(yùn)動(dòng)刺激的神經(jīng)元。長(zhǎng)期以來，人們一直認(rèn)為這些細(xì)胞比較來自蒼蠅視野中兩個(gè)相鄰圖像點(diǎn)的信號(hào)，并以此方式計(jì)算運(yùn)動(dòng)方向。但是，這個(gè)非常簡(jiǎn)單的模型無(wú)法解釋神經(jīng)生物學(xué)家記錄的所有經(jīng)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。“所以我們的部門開發(fā)了一個(gè)模型，其中三個(gè)而不是兩個(gè)相鄰的圖像點(diǎn)相互比較，”Alexander Arenz說，他解釋了當(dāng)前研究的起點(diǎn)。“我們想用飛腦中的細(xì)胞來測(cè)試這個(gè)模型。”一項(xiàng)新的解剖學(xué)研究事先已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，T4和T5細(xì)胞都接收來自四種不同類型細(xì)胞的輸入信號(hào)。因此，具有三個(gè)輸入單元的模型似乎是合理的。

利用一種飛行電影，研究人員向蒼蠅展示了不同的光刺激，并記錄了不同輸入細(xì)胞類型的反應(yīng)。結(jié)果揭示了單個(gè)細(xì)胞對(duì)亮度變化的響應(yīng)的速度和持續(xù)時(shí)間的強(qiáng)烈變化。為了更詳細(xì)地分析這些差異的重要性，研究人員將測(cè)量的細(xì)胞特征數(shù)據(jù)輸入到網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)模擬中。模擬表明，測(cè)量的細(xì)胞之間的差異以及T4和T5細(xì)胞接收其信號(hào)所產(chǎn)生的延遲對(duì)于識(shí)別運(yùn)動(dòng)方向是必不可少的。“所以帶有三個(gè)細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器可以很好地與這些細(xì)胞一起發(fā)揮作用，”該研究的兩位第一作者之一Michael Drews解釋道。“

為了進(jìn)一步縮小個(gè)體細(xì)胞的任務(wù)范圍，研究人員利用了這樣一個(gè)事實(shí)：當(dāng)動(dòng)物移動(dòng)時(shí)，蒼蠅大腦可以更快地處理視覺印象。亞歷山大·阿倫茲解釋說：“這可以預(yù)期，因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)時(shí)環(huán)境會(huì)更快地移動(dòng)到眼睛周圍。”為了在蒼蠅大腦中產(chǎn)生這種狀態(tài)，科學(xué)家們刺激了章魚胺受體，這些受體在動(dòng)物移動(dòng)時(shí)在自然條件下被激活。他們記錄的測(cè)量表明，在這些“活動(dòng)條件”下，輸入細(xì)胞工作得更快，對(duì)更高的運(yùn)動(dòng)速度反應(yīng)更強(qiáng)烈 - 因此，下游的T4和T5細(xì)胞也這樣做了。

“結(jié)果證明了神經(jīng)元運(yùn)動(dòng)探測(cè)器能夠適應(yīng)動(dòng)物行為狀態(tài)的靈活性”，Alexander Borst總結(jié)道。通過這種方式，果蠅在高速移動(dòng)時(shí)可以可靠地感知其環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)。難怪蒼蠅很難捕捉到。