果蝇玩 VR 登 Nature:注意力机制、工作记忆都有,昆虫大脑原来没比哺乳类差多少

2022/2/19 13:09:14 来源:量子位 作者:行早 责编:长河

你能想象果蝇也具有注意力、工作记忆和类似意识的能力吗?都快赶上哺乳动物了。在刚登上 Nature 的一项研究中,科研人员给果蝇打造了专用 VR 设备。

给果蝇打造专用 VR 设备

在这个 360 度的全景环境中,果蝇虽然身上系着绳子,但是可以自由扇动翅膀,它的动作也会实时更新场景,从而产生自由翱翔的错觉。

正是在这样的实验中,科研人员有了新的发现,他们观察到了通常在哺乳动物中才能观察到的认知能力现象:果蝇微小的大脑中会有记忆的形成、消退以及“分心”等先进的认知能力。这是怎么回事?难道昆虫与哺乳动物差距这么小?我们来一探究竟。

巴甫洛夫的果蝇

这次果蝇的实验沿用了心理学上著名的经典条件反射实验:巴甫洛夫的狗。

在给狗喂食的场景中,刚开始主人一过去喂食,狗狗就会流口水,然后巴甫洛夫在每次喂食前都敲响一个铃声,后来狗狗听到铃声就会流口水。在这个过程中,狗狗就把喂食(非条件刺激,US)和铃声(条件刺激,CS)联系了起来。

对果蝇的实验也是同样的道理,只不过把喂食换成了“用激光烫一下”,把敲铃换成了“看 T 形图案”。

果蝇的实验

当果蝇视野中有正的“T”形图案时,也会同时被烫一下,反之不会。这样训练 7 次之后,在视野中同时出现正“T”和倒“T”时,果蝇就会“飞向”倒“T”。这个“飞行”方向会由高速相机根据果蝇振动翅膀的角度来判断:

果蝇的实验

会“分心”的果蝇

在果蝇把图案和被烫的刺激联系在一起之后,就可以来测试它的记忆了。例如我们可以先呈现图案,等图案消失后 5-20s 再开激光去烫它。在反复几次之后,如果不开激光,果蝇也能在 5-20s 后做出反应,就说明果蝇的大脑中保留了视觉刺激的痕迹。

为了判断果蝇的记忆能保留多久,科研人员还设计了让果蝇“分心”的干扰元素:在图案消失后不同时间段对果蝇吹一股柔和的气。结果和没有干扰气流(白条)的情况相比,果蝇在有干扰气流(灰条)的情况下表现指数下降更快,在 40s 后基本归零。

实验数据

这就说明了图案刺激可以在果蝇大脑里留下短暂的记忆,并且干扰因素可以让果蝇“分心”,也就是存在注意力机制。除此之外,研究人员还监测了这个过程中果蝇大脑的活动,发现记忆的形成和消退都和 R2,R4m 神经元活动有关:

实验数据

这部分神经元在果蝇中央复合体的椭圆体部分,对应到人脑中就是大脑皮层区域:

果蝇中央复合体的椭圆体部分

这么看来,果蝇和哺乳动物的认知能力之间的联系还是很显著的。今后说不准还可以把果蝇作为高级认知功能的模型。要是再联想到昆虫和哺乳类都是从同一个祖先进化而来,这种联系就显得更深刻了。

加州大学圣迭戈分校的生物科学教授 Ralph Greenspan 也表示,可以根据分子特征和记忆存储方式绘制出果蝇和哺乳动物大脑区域的对应关系,逐渐揭示人类如何实现认知功能。

参考链接:

[1]https://ucsdnews.ucsd.edu/pressrelease/flies-possess-more-sophisticated-cognitive-abilities-than-previously-known

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04433-6#data-availability

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关键词:VRNature

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