麻省理工学院的神经科学家发现了一个基本决策脑回路的优雅架构，该回路允许线虫在找到食物来源时觅食或停下来享用美食。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，并根据环境条件在它们之间灵活切换。
“对于觅食的蠕虫来说，漫游或居住的决定将极大地影响其生存。” 麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所和大脑与认知科学系的李斯特兄弟职业发展副教授史蒂文·弗拉维尔说，该研究的资深作者。“我们认为，研究大脑如何控制这一关键的决策过程可以揭示可能部署在许多动物大脑中的基本电路元件。”Flavell 说，这种研究简单无脊椎动物以获得对大脑如何运作的基本见解的方法在神经科学领域有着悠久的传统。例如，对鱿鱼神经如何传播电脉冲的研究得出了解释几乎所有动物脑细胞如何放电的关键见解。尽管 Flavell 及其同事确定的大脑回路的关键组成部分现在已经被揭示出来似乎很简单，但发现它绝非易事。主要作者、 Flavell 实验室的博士后 Ni Ji 使用了多种先进技术，包括实验室自己的一项发明，来解决这个问题。她和她的合著者的工作成果发表在eLife杂志上。追踪思维
C. elegans是神经科学中的一种流行模型，因为它只有 302 个神经元，并且“接线图”或连接组已经完全映射。但即便如此，这些神经元之间非常密集和重叠的互连，加上它们通过称为神经调节剂的化学物质相互传递信号的能力，意味着人们很难只看连接组并辨别它如何在不同的行为状态之间切换。为了在这个连接网络中识别功能回路，Flavell 的实验室开发了一种新的显微镜，能够在蠕虫四处移动时跟踪它们，从而不断对蠕虫大脑中的神经元活动进行成像，如钙触发的闪光所示。Ji 使用该范围专注于 10 个参与觅食的互连神经元，跟踪它们与漫游或居住行为相关的神经活动模式。Ji 和合著者训练的软件能够很好地学习模式，仅基于神经活动，它就可以以 95% 的准确率预测蠕虫的行为。分析揭示了四组神经元，其活动与漫游特别相关。另一个关键模式是，从漫游到停止再到停留的过渡总是伴随着称为 NSM 的神经元的激活。Flavell 的实验室此前表明，NSM 可以感知新摄入食物的存在，并发出一种称为血清素的神经调节剂，以向其他神经元发出信号，让蠕虫减速以停留在营养区域。相互对抗
确定了随着蠕虫切换状态而改变的活动模式后，Ji 开始操纵回路中的神经元以了解它们如何相互作用。为了确认 NSM 作为驻留状态触发器的作用，Ji 将其设计为通过闪光人工激活（一种称为光遗传学的技术）。当她闪光时，它通过抑制漫游相关神经元的活动使蠕虫停留。进一步的实验表明，这种抑制能力取决于具有抑制性血清素受体（称为 MOD-1）的漫游神经元。如果姬通过基因敲除 MOD-1 受体，NSM 就无法抑制漫游行为，并因缺乏反馈而迅速停止尝试。类似地，Ji 表明，当蠕虫漫游时，是因为漫游四方正在使用神经调节剂 PDF 来抑制 NSM 的活动。例如，表达 PDF 的神经元的光遗传学激活抑制了 NSM 活动。在正常蠕虫中，如果漫游四方处于活动状态，NSM 则不是，反之亦然。但是，当姬基因通过基因敲除构成这种相互抑制的电路元件时，漫游四重奏和 NSM 可能同时处于活动状态，使蠕虫处于一种奇怪的状态，以大约一半的漫游速度徘徊。因此，通过持续的相互抑制的战斗，漫游由四方维持，而居住由 NSM 维持，但这仍然引出了一个问题：蠕虫如何决定翻转开关？为了找出答案，Ji 和同事编写了一种机器学习算法，以辨别哪些神经元可能在更广泛的回路中发挥作用，影响血清素和 PDF 的拉锯战。这种方法确定了一个称为 AIA 的神经元，它以整合有关食物气味的感官信息而闻名。AIA 的活动与漫游期间的几个漫游神经元以及驻留开始时的 NSM 共同变化。
换句话说，在被食物气味激活后，AIA 可以使用其输入来驱动相互抑制电路的任一侧来转换行为。记住 NSM 可以感知蠕虫何时真正进食，Ji 和 Flavell 可以推断 AIA 和 NSM 必须做什么。如果蠕虫闻到食物但不吃东西，它需要进一步漫游到食物气味，直到它。如果蠕虫闻到食物的气味并同时开始进食，那么它应该继续住在那里。“对于觅食的蠕虫来说，食物气味是一个重要但模棱两可的感官线索。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，这取决于其他传入的线索，使动物能够将气味置于情境中并使其适应觅食决定，”弗拉维尔说。“如果你正在寻找也可以在更大的大脑中运行的电路元素，那么这个电路元素会作为一个可能允许依赖上下文的行为的基本主题脱颖而出。”Story Source:
Materials provided by Picower Institute at MIT. Note: Content may be edited for style and length.
Journal Reference:
Ni Ji, Gurrein K Madan, Guadalupe I Fabre, Alyssa Dayan, Casey M Baker, Talya S Kramer, Ijeoma Nwabudike, Steven W Flavell. A neural circuit for flexible control of persistent behavioral states. eLife, 2021; 10 DOI: 10.7554/eLife.62889
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