果蠅的視網膜，綠色是R8感光細胞，紅色是yR8感光細胞。圖片來源：Sarah Heath
哥倫比亞的科學家已經確定了幫助果蠅看到顏色的大腦迴路，並且發現它與我們自己的彩色視覺迴路有著驚人的相似之處。這些發現揭示了一個基本但神秘的過程，通過這個過程，有關光波的信息從眼睛傳遞到大腦。這項研究不僅將推動人們對色彩視覺在果蠅和人類中如何工作的新研究，而且還將刺激人們開發有助於計算機觀察色彩的算法。
該研究今天發表在《當代生物學》上。
哥倫比亞Mortimer B. Zuckerman思維腦行為研究所的首席研究員，論文作者高級研究員Rudy Behnia博士說：「大腦可以識別超過一百萬種不同的顏色，這是我們才剛剛開始理解的驚人能力。通過今天的研究，我們確定了神經細胞的迴路，該迴路充當果蠅大腦的顏色合成器。這一發現非常令人興奮，因為這種類似的系統似乎在人腦中起作用。隨著我們對果蠅大腦的深入研究，我們將會發現更多關於我們自己看到和處理色彩的能力的信息。」
果蠅眼睛
在蒼蠅和人類中，彩色視覺都始於眼睛，其中包含專門的神經細胞，稱為感光細胞。這些對顏色敏感的細胞排列在眼睛背面的視網膜上。大多數人（有色盲的人除外）具有三種用於色覺的感光體。果蠅有四個。在所有動物中，每種感光體類型都對特定波長範圍的光敏感。光線照射到感光體上會觸發一系列電信號，這些信號被發送到大腦。
Behnia博士說：「我們知道大腦會比較來自不同感光細胞的這些電信號，最終將它們轉換為彩色，但是確切的實現方式仍然難以捉摸。由於分子和成像技術的最新發展，我們現在可以查看蒼蠅大腦不同區域的神經細胞，從而獲得精緻的細節。」
果蠅大腦的小尺寸和相對簡單使其成為研究色覺的理想生物。得益於Janelia研究園區的Fly Connectome項目，該項目記錄了果蠅大腦的組織和結構，甚至還繪製了果蠅大腦中每個細胞的位置和連接。
對於今天的Zuckerman研究所的研究，Behnia實驗室的博士候選人，該論文的第一作者莎拉·希思（Sarah Heath）通過讓果蠅觀察不同顏色的LED光源，第一次記錄了果蠅的感光細胞的活動。
每個感光細胞都有長的分支，稱為軸突（axons），延伸到果蠅的枕葉（optic lobe），即負責視覺的大腦區域。這些軸突相互通信，來回發送有關它們正在傳輸的信號的信息。當研究人員追蹤每個信號的路徑時，他們發現這些路徑指向了一種稱為Dm9的神經細胞。
Behnia博士說：「我們認為Dm9可以用作合成器，可以將每個感光信號相互比較。」
果蠅視神經葉的板層和延髓。品紅色中的感光細胞和綠色的Dm9克隆細胞。圖片提供：Maia Weisen
這種比較很重要。數十年的實驗表明，僅來自一個感光器的信號不足以使大腦識別出一種顏色。這就是為什麼缺少一種或多種類型的感光細胞的人具有不同程度的色盲的原因。
Behnia博士繼續說：「必須通過大腦定量比較和分析每個感光信號，以識別出正確的顏色。而且我們的工作表明，Dm9實際上可以發揮這種作用。」
利用這一新收集的數據以及來自Fly Connectome項目的數據，本文的第一作者，Behnia實驗室的博士生Matthias Christenson 開發了蒼蠅顏色迴路的計算模型。該模型可以幫助科學家預測蒼蠅如何響應不同的顏色，從而填補了我們對視覺系統的理解中的許多空白。
Christenson希望更好地了解大腦如何感知顏色，這可以為視力障礙者帶來基於計算機的新技術。
Christenson說：「當今的視覺系統難以整理出我們每天所遇到的色相。隨著我們繼續發現色彩處理背後的機制，人們可以預見視覺算法將改善計算機識別不同色彩的方式。」
這項研究還揭示了果蠅與人類之間的意外聯繫。例如，研究小組發現果蠅中的感光細胞實際上與人類的感光細胞具有相似的行為。
Heath說：「Dm9細胞在結構、組織和功能上與人類視覺系統中稱為水平細胞的神經細胞具有驚人的相似之處。這種相似性可能是趨同進化的結果，這種現象是兩個不同的物種（在這種情況下，蒼蠅和人類）進化出相同的解決方案來解決一個共同的問題。」
團隊在果蠅中發現的這些以及將來的發現可以用作更好地了解人類視覺系統的起點。
Behnia博士說：「我們對蒼蠅如何體驗周圍世界的了解越多，我們對自己的了解就越多。這使得蒼蠅在回答生物學上最古老的問題時提供了令人難以置信的信息。」
該論文的標題為「果蠅感光體中彩色編碼的迴路機制」。