Hoe fruitvliegjes interne representaties van hoofdrichting gebruiken om doelgerichte navigatie te ondersteunen

31 augustus 2024 kenmerk

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en de richtlijnen van Science X. Redacteuren hebben de volgende eigenschappen benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgen:

• feiten gecontroleerd
• door vakgenoten beoordeelde publicatie
• betrouwbare bron
• nagekeken

door Ingrid Fadelli, Phys.org

Diergedrag staat erom bekend te vertrouwen op het omzetten van zintuiglijke informatie in motorische commando's, vaak beïnvloed door de interne behoeften van een dier. Terwijl dit proces bij zoogdieren en andere grote dieren wordt ondersteund door complexe hersenprocessen, kunnen eenvoudigere versies ervan ook het gedrag van kleinere organismen, waaronder insecten, sturen.

Om hun acties te plannen wanneer zintuiglijke aanwijzingen niet beschikbaar zijn, hebben sommige dieren zich ontwikkeld om in plaats daarvan te vertrouwen op interne voorstellingen van hun relatie met hun omgeving. Deze voorstellingen kunnen informatie bevatten over hun hoofdrichting of die verzameld door plaatscellen, neuronen in de hippocampus die interne 'kaarten' van omgevingen vormen.

Onderzoekers van het Howard Hughes Medical Institute hebben onlangs onderzocht hoe fruitvliegjes tegelijkertijd nieuwe omgevingen in kaart brengen en deze interne voorstellingen gebruiken om te leren welke doelen ze moeten nastreven. Hun paper, gepubliceerd in Neuron, biedt nieuwe inzichten in hoe interne voorstellingen het doelgerichte gedrag van dieren kunnen sturen.

'Doelstellingen verankeren aan ruimtelijke voorstellingen maakt flexibele navigatie mogelijk maar is uitdagend in nieuwe omgevingen waarbij beide voorstellingen tegelijk moeten worden verworven,' schreven Chuntao Dan, Brad K. Hulse en hun collega's in hun paper. 'We stellen een raamwerk voor hoe Drosophila interne voorstellingen van hoofdrichting (HD) gebruikt om doelvoorstellingen op te bouwen op basis van selectieve thermische versterking.'

De onderzoekers voerden experimenten uit op gewone fruitvliegjes (Drosophila melanogaster). Het gedrag van de vliegjes werd getraind met behulp van warmte, die werd gekoppeld aan verschillende herhalingen van visuele patronen.

Deze visuele patronen veranderden de interne HD-voorstellingen van de vliegjes, waardoor de onderzoekers konden observeren hoe de ontwikkeling van HD-voorstellingen interageerde met de doelen van de vliegjes om uiteindelijk hun gedrag te vormen. Met behulp van machine learning-algoritmen en gegevens verzameld tijdens eerdere studies over fruitvliegjes, probeerden de onderzoekers te bepalen hoe deze processen zouden kunnen worden uitgevoerd binnen een regio van de insectenhersenen die bekend staat als het centrale complex (CX).

'We laten zien dat vliegjes stochastisch gegenereerde fixaties en gerichte saccades gebruiken om voorkeuren voor hoofdrichting uit te drukken in een operant visueel leerpakparadigma en dat HD-neuronen nodig zijn om deze voorkeuren te wijzigen op basis van versterking,' schreven Dan, Hulse en hun collega's. 'We gebruikten een symmetrische visuele omgeving om te laten zien hoe HD- en doelvoorstellingen van vliegjes samen evolueren en hoe de betrouwbaarheid van deze interactieve voorstellingen van invloed is op het gedrag.'

De bevindingen van dit recente onderzoek bieden nieuwe inzichten in hoe vliegjes tegelijkertijd hun omgeving in kaart brengen en interne doelen koppelen aan gecreëerde kaarten terwijl ze voor het eerst een nieuwe omgeving ervaren. Door hun experimentele gegevens en eerder verzamelde resultaten te analyseren met behulp van computationele modellen, creëerden de onderzoekers vervolgens een raamwerk dat beschrijft hoe de hersenen van fruitvliegjes het doelgerichte gedrag van de insecten in nieuwe omgevingen ondersteunen.

'We beschrijven hoe het snelle leren van nieuwe doelrichtingen kan rusten op een gedragsregel waarvan de parameters flexibel zijn maar waarvan de vorm genetisch is gecodeerd in de circuitarchitectuur,' schreven Dan, Hulse en hun collega's. 'Dergelijke evolutionair gestructureerde architecturen, die snelle adaptieve gedrag mogelijk maken dat wordt aangedreven door interne voorstellingen, kunnen relevant zijn voor meerdere soorten.'

Hoewel het team hun experimenten uitvoerde op fruitvliegjes, kunnen circuitarchitecturen en processen die lijken op die ze hebben ontdekt ook voorkomen bij andere soorten. Toekomstige studies met genetische technieken zouden verder licht kunnen werpen op de cellen die het doelgerichte leerproces identificeerden dat door de onderzoekers was vastgesteld of zouden kunnen helpen analoge processen te identificeren bij andere dieren.

Meer informatie: Chuntao Dan et al, A neural circuit architecture for rapid learning in goal-directed navigation, Neuron (2024). DOI: 10.1016/j.neuron.2024.0