揭秘：果蠅在變化光照下的精準視覺行爲

當光照條件迅速變化時，我們的眼睛必須在幾分之一秒內對此變化做出反應，以保持穩定的視覺處理。例如，當我們駕車穿過森林，行駛在陰影與明亮陽光交替的路段時，這是必要的。

“在這樣的情況下，光感受器適應是不夠的，還需要一個額外的校正機制，”美因茨約翰內斯·古滕貝格大學（JGU）的馬裡恩·西利斯教授說。她的研究小組早期的工作已經證明，在果蠅黑腹果蠅中存在這樣一種校正的“增益控制”機制，其直接作用於光感受器的下游。

西利斯的團隊現在已經成功地確定了算法、機制和神經元網絡，使果蠅在光照水平迅速變化時能夠保持穩定的視覺處理。相應的文章 發表於 《自然通訊》。

我們的視覺在許多不同的情況下都必須準確地發揮作用——當我們在周圍環境中移動時，以及當我們的眼睛跟蹤一個從光明移動到陰影的物體時。這既適用於我們人類，也適用於成千上萬嚴重依賴視覺導航的動物物種。

例如，在無生命物體的範疇裡，亮度的快速變化也是個問題。因此，許多自動駕駛汽車得依靠額外的基於雷達或激光雷達的技術，才能正確算出物體相對於其背景的對比度。

“動物能夠在沒有這種技術的情況下做到這一點。因此，我們決定看看我們可以從動物身上學到什麼，瞭解在不斷變化的光照條件下視覺信息是如何穩定處理的，”西利斯在探討研究問題時解釋說。

黑腹果蠅的複眼由 800 個單獨的單元，即小眼組成。物體與其背景之間的對比度是在突觸後由光感受器確定的。然而，如果亮度條件突然改變，例如物體移動到樹的陰影中，對比度響應就會有所不同。要是沒有增益控制，這會對視覺處理的所有後續階段造成影響，致使物體看起來不一樣。

最近，由第一作者 Burak Gür 博士開展的研究使用雙光子顯微鏡來描述視覺迴路中穩定對比度反應最初產生的位置。這使得位於光感受器後兩個突觸的神經元細胞類型得以識別。

這些細胞類型對視覺信息僅做出非常局部性的反應。正如共同作者 Luisa Ramirez 博士所實施的計算模型所揭示的那樣，爲了在計算對比度時正確納入背景亮度，此信息需要狹窄的空間池化。

“我們從一種理論方法入手，該方法能預測自然環境圖像中的最佳半徑，從而捕獲視覺空間特定區域的背景亮度。與此同時，我們正在找尋具有實現此功能特性的細胞類型，”JGU 發育生物學和神經生物學研究所（IDN）神經迴路實驗室負責人 Silies 說。

美因茨的神經科學家團隊已經確定了一種符合所有要求標準的細胞類型。

這些被命名爲 Dm12 的細胞在特定半徑範圍內彙集亮度信號，進而在快速變化的光照條件下校正了物體與其背景之間的對比度響應。

過去 15 年來一直在研究果蠅視覺系統的西利斯總結道：“我們已經發現了即使在亮度快速變化時也能穩定視覺的算法、電路和分子機制。”

她預測，包括人類在內的哺乳動物的亮度增益控制是以類似方式實現的，尤其是因爲必要的神經元基質是具備的。