从多巴胺果蝇视锥神经元的递回神经环路中发现色相选择性

果蝇视觉系统中色相选择性的电路机制

色彩感知是视觉体验中的一个关键方面,对于生物个体与外界环境的互动起着重要作用。对于人类等三种感光细胞型的灵长类动物,已发现视皮层存在对特定色相(如青色、蓝绿色和橙色)以及非光谱色(如紫色和洋红色)有选择性响应的神经元。然而,这种色相选择性响应的神经环路基础一直未被阐明。

在最新发表于《自然神经科学》的研究中,哥伦比亚大学的Rudy Behnia课题组利用果蝇这一遗传操作便利的模式生物,发现其视觉系统中存在色相选择性神经元,并揭示了产生这种色相选择性响应的神经环路机制。该研究结果为深入理解色彩感知的神经基础提供了新的见解。

研究人员首先利用两光子钙成像技术,测量了果蝇视觉系统中几种关键神经元对各种光谱和非光谱色光刺激的响应。他们发现,传递色彩信息的突触中继投射神经元(TM神经元)tm5a、tm5b和tm5c表现出对特定色相高度选择性的响应,这与灵长类动物视皮层的色相选择性神经元类似。

为了揭示产生这种色相选择性响应的神经环路机制,研究人员利用果蝇全脑电镜重建数据,追踪了这些TM神经元的联接模式。基于重构结果,他们建立了一个受联接结构约束的神经环路模型,能够精确复现实验测量到的TM神经元响应模式。

令人惊讶的是,尽管TM神经元距离视觉信息输入的PhotoreceptorPhotoceptor仅一到两个突触远,但模型预测它们之间存在广泛的回路连接。通过在模型和实验中破坏这些回路连接,研究人员发现,神经元之间的回路连接对于产生色相选择性响应至关重要,而单个神经元内的非线性集成并不是必需的。

该研究为视觉感知中色彩信息处理的神经机制提供了新见解,揭示了生物视觉系统通过回路连接实现非线性运算的一种机制。虽然果蝇作为无脊椎动物其视觉系统与灵长类动物存在显著差异,但这一发现暗示了色相选择计算在不同动物大脑中可能具有某种程度的进化上的保守性。

这项研究不仅为研究视觉感知的神经基础做出贡献,也为理解大脑运算的一般性原理提供了新的认识。后续的工作还可以进一步探讨这些色相选择性神经元与果蝇行为之间的联系,以及在其他物种中类似神经机制的存在与作用。