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果蝇对视觉环境的快速变化做出反应,这要归功于对亮度敏感的薄层神经元

果蝇对视觉环境的快速变化做出反应,这要归功于对亮度敏感的薄层神经元

视觉基本上是基于对对比的感知。当光线条件改变时,眼睛需要一段时间来适应并恢复正确估计对比度的能力。这些过程已经被很好地理解了。然而,美因茨约翰内斯古登堡大学(JGU)的研究人员现在发现了果蝇果蝇使用的一种机制,这种机制拓宽了我们对视觉感知的理解。他们的结果解释了为什么即使在突然改变的光线条件下,眼睛也能正确地评价对比度。“果蝇之所以能做到这一点,是因为它们的视觉系统中有对亮度做出反应的神经细胞。当视觉刺激动态变化时,这些神经细胞使果蝇有可能调整它们的行为。

生物体的感觉系统在进化过程中往往会注意到变化,而不是绝对的感觉输入。“例如,你很可能忘记你白天戴着项链,但如果一只昆虫落在你的皮肤上,你会立刻感觉到它,”西里斯补充说。视觉以同样的方式工作,因为它是可适应的,并被设计来响应环境的变化。许多神经细胞对反差有反应,而不是对亮度本身有反应。这就是为什么许多动物的视觉系统在黎明、黄昏、白天或快速变化的环境中工作得特别好。

视网膜感光器的表现在脊椎动物和无脊椎动物中都起着关键作用。这些感光器确保无论背景亮度如何,都能检测到对比度。然而,这种视网膜适应本身并不能解释应对突发变化的机制,比如当动物快速移动时,或者当看到一个物体从明亮的阳光进入阴影时。在这种情况下,背景亮度可以在几毫秒内改变。

果蝇对视觉环境的快速变化做出反应,这要归功于对亮度敏感的薄层神经元

仅凭对比敏感的薄层神经元是不够的/亮度作为校正信号

在对果蝇的研究中,Marion Silies教授和她的神经科学家团队把重点放在了神经系统光感受器下游的过程上。他们特别关注涉及到薄层神经元的通路,这些神经元专门检测对比度的增加或减少。“在这里,我们发现了果蝇视觉系统中对亮度敏感的通路。仅凭对比敏感的神经元反应还不足以解释视觉刺激变化引起的行为反应,他们认为,当背景亮度突然下降时,存在一种校正信号来衡量对比敏感的反应。该研究的第一作者Madhura Ketkar补充说:“我们已经能够证明,亮度信息可以作为一种校正信号,在亮度突然变暗时进行干预。这意味着,为了准确识别对比度,亮度信息是必要的。”到目前为止,人们一直认为,为了在快速变化的光线条件下准确地观察,只有其他层状神经元传递的相对对比度是必要的,这使得正确地计算视觉反应成为可能,例如,当一个足球从光线进入阴影时。

L3神经元对亮度很敏感,在弱光条件下尤其活跃

果蝇对视觉环境的快速变化做出反应,这要归功于对亮度敏感的薄层神经元

神经生物学家在双光子显微镜的帮助下,通过测量神经细胞中的钙信号,证明了这一点。这项技术使他们能够测定活果蝇个体神经细胞的活动。“我们的测量结果显示,有些细胞对亮度而不是对比度有反应,”西里斯强调。研究小组通过行为实验证实了这一发现,他们让果蝇在一个气垫球上行走,球的前方是一个动态变化的背景。“我们还能够清楚地证明,当背景迅速变暗时,这些对亮度敏感的细胞对果蝇做出反应是必要的,”西里斯继续说。当L3层神经元不活跃时,没有适当的行为反应。

因此,研究人员发现了一种新的机制,可以解释在动态变化的光照条件下如何进行正确的图像处理。仅仅对对比的敏感性不足以解释视觉刺激的行为反应。研究人员得出结论,光强度是视觉系统的主要输入信号,也是正确控制视觉输入的行为反应的关键因素。他们提出,这是一种通用的视觉处理策略,也可能被人类的眼睛使用。

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