根据芝加哥大学的一项新研究，苍蝇能够预测其视觉环境的变化，以执行逃避动作。这种依赖预测信息来指导行为的现象表明，预测可能是动物神经系统支持快速行为变化的一个普遍特征。该研究于5月20日发表在《PLOS计算生物学》上。
动物使用其感觉神经系统来获取环境信息，并根据检测到的信息执行某些行为。然而，神经系统需要时间来处理这些感觉信息，这意味着环境可能在先前信息完全处理之前发生变化。
高级作者Stephanie Palmer博士表示，这对于捕食者与猎物之间的互动非常重要。对于一只苍蝇来说，所有东西都想吃掉你，而你想要避免被吃掉。然而，苍蝇的环境在迅速变化，它们的神经反应迟缓。研究人员希望研究苍蝇如何在感觉系统的持续反馈尚未处理时执行快速逃避行为以避免被捕食者吃掉。
为了回答这个问题，研究人员采用了一种高度跨学科的方法。Palmer表示，这是一个项目诞生于这个新的开放科学共享时代。他们能够利用另一组制作的精确行为记录，并将其用于一个理论性的计算神经科学问题：苍蝇的视觉系统是否使用初始威胁检测来做出预测，以跨越苍蝇开始逃避行为时处理额外反馈的滞后时间？
先前的工作由第一作者Siwei Wang博士进行，他研究了苍蝇视觉系统如何编码运动的一个理论模型。Wang表示，他有一个如何将这些想法扩展到预测的想法，这项研究允许他将他的模型与实际行为数据进行比较，以测试他的理论。
使用苍蝇视觉系统中神经元连接的详细图表，研究人员制作了一个视觉响应的模拟，并输入了先前记录的行为数据集。Palmer表示，他们比较了一个最佳预测的样子和苍蝇的预测样子，然后他们打破了模拟，试图确定哪些部分对于做出这些预测最为重要。
作者首先确定关于苍蝇视觉世界的感官数据通过一个信息瓶颈，苍蝇的大脑会丢弃一些感官数据，因为它没有足够的计算能力来处理它所接收的信息量。然而，苍蝇不能随意丢弃视觉信息，因为其中一些可能对做出预测有用。
作者识别了称为轴突间隙连接的结构，这些物理通道连接神经元，介导了这种信息瓶颈的最佳形式，并且对于过滤掉不必要的信息和保留必要的信息以做出预测至关重要。
研究人员进一步发现，这些垂直运动感觉神经元的一个亚群在做出预测时是独特的，因为它也直接连接到苍蝇的飞行控制神经元。这表明，负责对苍蝇环境做出预测的神经元直接输入到控制苍蝇行为的神经元。这种直接连接可能解释了苍蝇做出的预测如何能够迅速影响其行为。
识别这些结构和苍蝇视觉系统做出预测的能力可能会推动对其他动物神经系统如何做出类似预测的洞察。Palmer表示，打开苍蝇如何做到这一点的黑盒子揭示了我们认为的其他动物的神经系统可能也使用的普遍设计原则。
最终，这种理论神经科学可能会揭示我们人类大脑的功能。Palmer表示，作为人类，我们最大的挑战之一是理解我们头部内部的一切是如何工作的。对苍蝇的研究见解可以推广，并实际上为我们的大脑如何运作提供线索。
Wang表示，这些结果甚至可能对理解像阿尔茨海默病这样的神经退行性疾病有影响，在这些疾病中，大脑失去了做出预测的能力。如果从这些苍蝇研究中获得的见解在人类中成立，它可以帮助揭示新的特定治疗干预目标。