MIT发现帮助大脑做出外出“觅食”决定的回路

通过整合多个感官输入，一小群神经元之间的相互抑制环路允许线虫在长期的行为状态之间切换。

　　

   

   

为了持续跟踪神经活动，正如钙引发的闪光所表明的那样，Flavell实验室发明了一种显微镜，可以跟踪线虫的移动。为了识别一个新的回路，他们追踪了大约10个关键神经元的活动模式。

 

麻省理工学院(MIT)的神经科学家们发现了一个基本的决策脑回路的优雅架构，这个回路让线虫既可以觅食，也可以在找到食物来源后停下来大吃大喝。该电路能够整合多个感官信息流，仅使用几个关键神经元来维持持久的行为，但在环境条件允许的情况下，在它们之间灵活切换。

“对于觅食的线虫来说，决定漫游还是定居将极大地影响它的生存，”该研究的资深作者、麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所、大脑与认知科学系李斯特兄弟职业发展副教授Steven Flavell说。“我们认为，研究大脑是如何控制这一关键决策过程的，可以揭示许多动物大脑中可能存在的基本回路元素。”

Flavell说，这种通过研究简单的无脊椎动物来了解大脑功能的方法在神经科学中有着悠久的传统。例如，对乌贼神经如何传播电脉冲的研究，导致了对几乎所有动物的脑细胞如何放电的关键见解。

Flavell和他的同事们发现了大脑回路的关键组成部分，现在看来似乎很简单，但要找到它却绝非易事。第一作者Ni Ji是弗莱维尔实验室的博士后，他使用了几种先进技术，包括实验室自己的一项发明，来解决这个问题。她和她的合著者的研究结果发表在《eLife》杂志上。

跟踪思考

线虫在神经科学中是一个很受欢迎的模型，因为它只有302个神经元，而且“连接图”或连接组已经完全绘制出来了。但即便如此，这些神经元之间紧密重叠的相互联系，加上它们通过神经调节物质相互发送信号的能力，意味着人们很难仅仅观察连接体，并分辨出它如何在不同的行为状态之间切换。

为了识别这些连接网络中的功能回路，Flavell的实验室开发了一种新的显微镜，能够跟踪线虫的移动，从而不断成像线虫大脑中神经元的活动，正如钙触发的闪光所显示的那样。Ji利用该范围对10个参与觅食的相互连接的神经元进行了研究，跟踪了它们与漫游或居住行为相关的神经活动模式。

Ji和他的合著者训练的软件能够很好地学习这些模式，以至于仅仅基于神经活动，它就能以95%的准确率预测线虫的行为。分析显示有四个神经元的活动与漫游特别相关。另一个关键模式是，从漫游到停止停留的转变总是伴随着一种叫做NSM的神经元的激活。Flavell的实验室先前表明，NSM能够感知新摄入食物的存在，并释放一种名为血清素的神经调制剂，向其他神经元发出信号，让线虫放慢速度，停留在营养区域。

相互对立

在识别出线虫切换状态时的活动模式后，Ji开始操纵回路中的神经元，以了解它们是如何相互作用的。为了证实NSM是“居住状态”的触发因素，Ji刚设计了一种用闪光人为激活NSM的技术(一种被称为光遗传学的技术)。当她闪动灯光时，灯光通过抑制与漫游相关的神经元的活动，使线虫停留下来。进一步的实验表明，这种抑制能力取决于漫游神经元有一个抑制性血清素受体，称为MOD-1。如果Ji从基因上破坏了MOD-1受体，NSM就无法抑制漫游行为，并因为缺乏反馈而迅速停止尝试。

同样，Ji表明，当线虫漫游时，这是因为漫游四方使用神经调节因子PDF来抑制NSM的活动。例如，PDF表达神经元的光遗传激活抑制了NSM的活动。

在正常的线虫中，如果漫游四重奏是活跃的，NSM就不活跃，反之亦然。但当Ji从基因上剔除了导致这种相互抑制的回路元素时，漫游四方和NSM可能同时活跃，使线虫处于一种奇怪的状态，以漫游速度的一半左右徘徊。

感觉输入

因此，通过一场持续的相互抑制的战斗，漫游由四重奏维持，居住由NSM维持，但这仍然提出了一个问题:线虫是如何决定按下开关的?为了找到答案，Ji和他的同事们设计了一个机器学习算法来辨别哪些神经元可能在更大的回路上游工作，从而影响血清素和PDF的拉力战。这种方法识别出一种叫做AIA的神经元，它以整合食物气味的感觉信息而闻名。AIA的活动在漫游期间与几个漫游神经元的活动共同变化，在定居开始时与NSM的活动共同变化。

换句话说，一旦被食物的气味激活，AIA就可以利用它的输入来驱动相互抑制回路的两端来改变行为。记住NSM可以感知线虫什么时候在吃东西，Ji和Flavell可以推断AIA和NSM必须做什么。如果线虫闻到了食物，但没有吃，它需要进一步漫游到食物的气味，直到它。如果线虫闻到食物，同时开始吃东西，那么它应该继续住在那里。

Flavell说：“对于觅食线虫来说，食物气味是一个重要但不明确的感官线索。AIA能够检测食物气味并将该信息传输到这些不同的下游回路，这取决于其他传入线索，使动物能够根据气味情况做出适应性觅食决定。如果你正在寻找可能在更大的大脑中运行的电路元件，那么这一个作为一个基本的主题可能会允许上下文相关的行为。”

10.7554/eLife.62889