Hur bananflugor använder interna representationer av huvudriktning för att stödja målstyrd navigering

Den 31 augusti 2024 funktion Denna artikel har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policys. Redaktörer har framhävt följande egenskaper samtidigt som de säkerställt innehållets trovärdighet: 

• faktagranskad 
• granskad 
• av kollegor 
• pålitlig källa 

korrekturläst av Ingrid Fadelli, Phys.org 

Djurs beteende är känt för att förlita sig på att omvandla sensorisk information till motoriska kommandon, ofta påverkade av ett djurs interna behov. 

Medan denna process stöds av komplexa hjärnprocesser hos däggdjur och andra stora djur, kan enklare versioner av den också styra beteendet hos mindre levande organismer, inklusive insekter. 

För att planera sina handlingar när sensoriska ledtrådar inte är tillgängliga har vissa djur utvecklat att istället förlita sig på interna representationer av deras relation till sin omgivning. Dessa representationer kan inkludera information relaterad till deras huvudriktning eller insamlad av platsceller, neuroner i hippocampus som bildar interna "kartor" av miljöer. 

Forskare vid Howard Hughes Medical Institute utforskade nyligen hur fruktflugor samtidigt kartlägger nya miljöer och använder dessa interna representationer för att lära sig vilka mål de ska sträva efter. Deras artikel, publicerad i Neuron, erbjuder ny insikt i hur interna representationer kan styra djurs målinriktade beteende. "Att förankra mål till spatiala representationer möjliggör flexibel navigation men är utmanande i ny miljö när båda representationerna måste förvärvas samtidigt," skrev Chuntao Dan, Brad K. Hulse och deras kollegor i sin artikel. 

"Vi föreslår en ram för hur Drosophila använder interna representationer av huvudriktning (HD) för att bygga målrepresentationer med selektiv termisk förstärkning." Forskarna genomförde experiment på vanliga fruktflugor (Drosophila melanogaster). Flugornas beteende var betingat med värme, vilket kopplades till olika fall av återkommande visuella mönster. 

Dessa visuella mönster ändrade flugornas interna HD-representationer, vilket gjorde det möjligt för forskarna att observera hur utvecklingen av HD-representationer samverkade med flugornas mål för att slutligen forma deras beteende. Genom att använda maskininlärningsalgoritmer och data insamlade under tidigare studier om fruktflugor, försökte forskarna att avgöra hur dessa processer kunde utföras inom en region av insektens hjärna känd som den centrala komplexet (CX). "Vi visar att flugor använder stokastiskt genererade fixeringar och riktade saccader för att uttrycka riktningspreferenser i en operant visuell inlärningsparadigm och att HD-neuroner krävs för att modifiera dessa preferenser baserat på förstärkning," skrev Dan, Hulse och deras kollegor. 

"Vi använde en symmetrisk visuell inställning för att visa hur flugors HD- och målrepresentationer samutvecklas och hur tillförlitligheten i dessa samverkande representationer påverkar beteendet." Resultaten av denna nya studie ger ny insikt i hur flugor samtidigt kartlägger sin omgivning och kopplar interna mål till skapade kartor när de först upplever en ny miljö. 

Genom att analysera sitt experimentella data och tidigare insamlade resultat med hjälp av beräkningsmodeller skapade forskarna sedan en ram som beskriver hur fruktflugors hjärna stöder insekternas målriktade beteende i nya miljöer. "Vi beskriver hur snabb inlärning av nya målrubriker kan vila på en beteendepolicy vars parametrar är flexibla men vars form är genetiskt kodad i kretsmönstret," skrev Dan, Hulse och deras kollegor. "Sådana evolutionärt strukturerade arkitekturer, som möjliggör snabbt anpassningsbart beteende drivet av interna representationer, kan vara relevanta över arter." 

Medan laget genomförde sina experiment på fruktflugor, kan kretsmönster och processer som liknar dem de upptäckte också existera hos andra arter. Framtida studier som använder genetiska tekniker kan kasta ytterligare ljus över de celler som medierar den målinriktade inlärningsprocessen som identifierades av forskarna eller kan hjälpa till att identifiera analoga processer hos andra djur. Ytterligare information: Chuntao Dan et al, A neural circuit architecture for rapid learning in goal-directed navigation, Neuron (2024). DOI: 10.1016/j.neuron.2024.04.036 Tidskriftsinformation: Neuron © 2024 Science X Network