果蝇如何看到颜色？研究发现工作方式类似人脑回路
果蝇如何看到颜色？研究发现工作方式类似人脑回路
哥伦比亚大学科学家最近揭示了果蝇如何通过大脑回路处理颜色信息，这一发现与人类的彩色视觉回路惊人地相似。这项研究不仅推动了人们对色彩视觉在果蝇和人类中如何工作的理解，还可能为开发帮助计算机观察色彩的算法提供新的思路。
果蝇的视网膜，绿色是R8感光细胞，红色是yR8感光细胞。图片来源：Sarah Heath
哥伦比亚的科学家已经确定了帮助果蝇看到颜色的大脑回路，并且发现它与我们自己的彩色视觉回路有着惊人的相似之处。这些发现揭示了一个基本但神秘的过程，通过这个过程，有关光波的信息从眼睛传递到大脑。这项研究不仅将推动人们对色彩视觉在果蝇和人类中如何工作的新研究，而且还将刺激人们开发有助于计算机观察色彩的算法。
该研究今天发表在《当代生物学》上。
哥伦比亚Mortimer B. Zuckerman思维脑行为研究所的首席研究员，论文作者高级研究员Rudy Behnia博士说：“大脑可以识别超过一百万种不同的颜色，这是我们才刚刚开始理解的惊人能力。通过今天的研究，我们确定了神经细胞的回路，该回路充当果蝇大脑的颜色合成器。这一发现非常令人兴奋，因为这种类似的系统似乎在人脑中起作用。随着我们对果蝇大脑的深入研究，我们将会发现更多关于我们自己看到和处理色彩的能力的信息。”
在苍蝇和人类中，彩色视觉都始于眼睛，其中包含专门的神经细胞，称为感光细胞。这些对颜色敏感的细胞排列在眼睛背面的视网膜上。大多数人（有色盲的人除外）具有三种用于色觉的感光体。果蝇有四个。在所有动物中，每种感光体类型都对特定波长范围的光敏感。光线照射到感光体上会触发一系列电信号，这些信号被发送到大脑。
Behnia博士说：“我们知道大脑会比较来自不同感光细胞的这些电信号，最终将它们转换为彩色，但是确切的实现方式仍然难以捉摸。由于分子和成像技术的最新发展，我们现在可以查看苍蝇大脑不同区域的神经细胞，从而获得精致的细节。”
果蝇大脑的小尺寸和相对简单使其成为研究色觉的理想生物。得益于Janelia研究园区的Fly Connectome项目，该项目记录了果蝇大脑的组织和结构，甚至还绘制了果蝇大脑中每个细胞的位置和连接。
对于今天的Zuckerman研究所的研究，Behnia实验室的博士候选人，该论文的第一作者莎拉·希思（Sarah Heath）通过让果蝇观察不同颜色的LED光源，第一次记录了果蝇的感光细胞的活动。
每个感光细胞都有长的分支，称为轴突（axons），延伸到果蝇的枕叶（optic lobe），即负责视觉的大脑区域。这些轴突相互通信，来回发送有关它们正在传输的信号的信息。当研究人员追踪每个信号的路径时，他们发现这些路径指向了一种称为Dm9的神经细胞。
Behnia博士说：“我们认为Dm9可以用作合成器，可以将每个感光信号相互比较。”
果蝇视神经叶的板层和延髓。品红色中的感光细胞和绿色的Dm9克隆细胞。图片提供：Maia Weisen
这种比较很重要。数十年的实验表明，仅来自一个感光器的信号不足以使大脑识别出一种颜色。这就是为什么缺少一种或多种类型的感光细胞的人具有不同程度的色盲的原因。
Behnia博士继续说：“必须通过大脑定量比较和分析每个感光信号，以识别出正确的颜色。而且我们的工作表明，Dm9实际上可以发挥这种作用。”
利用这一新收集的数据以及来自Fly Connectome项目的数据，本文的第一作者，Behnia实验室的博士生Matthias Christenson 开发了苍蝇颜色回路的计算模型。该模型可以帮助科学家预测苍蝇如何响应不同的颜色，从而填补了我们对视觉系统的理解中的许多空白。
Christenson希望更好地了解大脑如何感知颜色，这可以为视力障碍者带来基于计算机的新技术。
Christenson说：“当今的视觉系统难以整理出我们每天所遇到的色相。随着我们继续发现色彩处理背后的机制，人们可以预见视觉算法将改善计算机识别不同色彩的方式。”
这项研究还揭示了果蝇与人类之间的意外联系。例如，研究小组发现果蝇中的感光细胞实际上与人类的感光细胞具有相似的行为。
Heath说：“Dm9细胞在结构、组织和功能上与人类视觉系统中称为水平细胞的神经细胞具有惊人的相似之处。这种相似性可能是趋同进化的结果，这种现象是两个不同的物种（在这种情况下，苍蝇和人类）进化出相同的解决方案来解决一个共同的问题。”
团队在果蝇中发现的这些以及将来的发现可以用作更好地了解人类视觉系统的起点。
Behnia博士说：“我们对苍蝇如何体验周围世界的了解越多，我们对自己的了解就越多。这使得苍蝇在回答生物学上最古老的问题时提供了令人难以置信的信息。”
该论文的标题为“果蝇感光体中彩色编码的回路机制”。