在自然界中,不論是掠食者或獵物,處理視覺資訊,做到了解自我運動、他人運動和環境結構都相當重要,如此才能躲避危險或者導航方向;而最好拿來研究的生物即是果蠅。

果蠅的視覺訊號從光感受器,接著傳遞到lamina、medulla、lobula、lobula plate 四層,並傳到腦中整合訊號(如圖一)。在這過程中,訊號又會分成兩通道,分別是 ON 通道(響應亮邊緣運動)和 OFF 通道(響應暗邊緣運動),分別由 T4 和 T5 神經元處理。T4、T5 分別又有四種亞型,分別處理由前到後、由後到前、由上到下、由下到上的運動。然而,雖然知道T4、T5有這樣的方向選擇性機制,但目前仍不太清楚T4、T5細胞中的活性如何傳播到下游神經。在 Current Biology 這篇論文中,他們藉由 3D 電子顯微鏡的資料,觀察黑腹果蠅視覺系統的神經連結,找到 lobula plate 中神經元和 T4、T5 的連結。

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圖一:果蠅的視覺系統。

他們發現,在 lobula plate 中與T4、T5有連結的神經,基本上都會接收兩者的輸入,而且對 T5 有一致的偏差(T4:45.4%、T5 54.6%,如圖二);這說明整合了T4、T5訊號的神經應該對明亮和黑暗的移動邊緣都有響應,且對黑暗邊緣更敏感。

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圖二:比較T4輸出和T5輸出到神經的平均突觸數量

此外,他們也找到了在 lobula plate 四層中,相反方向的兩層會互相抑制,形成運動對抗的神經元(LPi)。先前的研究只描述了第三、第四層間的神經(LPi3-4, LPi4-3),他們成功重建了第一層和第二層間的LPi1-2, LPi2-1。(圖三A)

還有個有趣的例子是他們看見Y11和Y12兩群細胞,分別和T4、T5的一三層、二四層互相連結,這代表或許他們可以處理對角線方向的運動。(圖三B)

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圖三:(a) LPi 抑制反方向的訊號,實現運動對抗。(b) Y11整合了前到後和往上的運動,Y12整合了後到前和往下的運動,可能實現斜角方向的運動偵測。

3D-EM的重建過程發現了許多T4、T5 神經元的連結分佈,可以更加了解神經之間的傳遞。透過瞭解這些訊號的傳遞,可以讓我們探索更多視覺運動的計算,除了更了解運動偵測機制,或許也能運用在生物啟發的視覺計算。

Reference

  1. Shinomiya, Kazunori, et al. "Neuronal circuits integrating visual motion information in Drosophila melanogaster." Current Biology  32.16 (2022): 3529-3544.
  2. Erginkaya, Mert, and M. Eugenia Chiappe. "Motion vision: Drosophila neural pathways that go with the visual flow." Current Biology 32.16 (2022): R881-R883.APA