跳蛛大脑中的视觉感知 (2014)

吉尔·门达1 ∙ 保罗·S·沙姆布1 ∙ 埃亚尔·I·尼扎尼2,3,4 ∙ 詹姆斯·R·戈尔登5 ∙ 罗纳德·R·霍伊1 rrh3@cornell.edu 1Department of Neurobiology and Behavior, Cornell University, Ithaca, NY 14853, USA 2Department of Biological Statistics and Computational Biology, Cornell University, Ithaca, NY 14853, USA 3Division of Systems Neurology and Neuroscience, Brain and Mind Research Institute, Weill Cornell Medical College, New York, NY 10065, USA 4Tri-Institutional Training Program in Computational Biology and Medicine, 1300 York Avenue, Box 194, New York, NY 10065, USA 5Department of Psychology, Cornell University, Ithaca, NY 14853, USA

出版历史： 收到日期：2014年6月18日；修订日期：2014年8月27日；接受日期：2014年9月10日；在线发布日期：2014年10月9日 DOI: 10.1016/j.cub.2014.09.029Also available on ScienceDirect 版权所有：© 2014 Elsevier Ltd. 由 Elsevier Inc. 出版。 用户许可：Elsevier user license | Elsevier's open access license policy

分享

在以下平台分享 * Email * X * Facebook * LinkedIn * Sina Weibo * Mendeley * bluesky 添加到我的阅读列表

更多 * 下载PDF

下载PDF

  * [Standard PDF](https://www.cell.com/current-biology/fulltext/</action/showPdf?pii=S0960-9822%2814%2901150-6> "Standard PDF \(opens in a new tab\)")
  * [Extended PDF](https://www.cell.com/current-biology/fulltext/</current-biology/pdfExtended/S0960-9822\(14\)01150-6> "Extended PDF \(opens in a new tab\)")
* [引用](https://www.cell.com/current-biology/fulltext/<https:/www.cell.com/action/showCitFormats?doi=10.1016%2Fj.cub.2014.09.029&pii=S0960-9822%2814%2901150-6> "Cite")
* 分享

分享

在以下平台分享 * Email * X * Facebook * LinkedIn * Sina Weibo * Mendeley * Bluesky 添加到我的阅读列表 * 设置提醒 * 获取权限 * 重印

亮点

摘要

跳蛛（Salticidae）以其行为模式而闻名，这种行为模式看起来更像脊椎动物，甚至是哺乳动物，而不是蜘蛛 [1–3]。这得益于其独特的视觉系统，该系统支持它们的跟踪狩猎方式和精心设计的求偶仪式，在求偶仪式中，雄性奇特的标记和彩色附肢突出了它们的歌舞表演 [2, 4, 5]。 Salticids 利用来自四对功能专业化的眼睛的信息来完成这些任务，从而提供接近 360° 的视野，以及超过所有昆虫甚至某些哺乳动物的前瞻性空间分辨率 [1]，这些信息由一个大约罂粟籽大小的大脑处理。 Salticid 的行为、进化和生态已被充分记录 [6–8]，但由于其内部体液的加压性质，研究其行为的神经生理学基础的尝试一直受挫，这使得典型的生理学技术不可行，并将所有先前在 salticids 中的神经工作限制在来自眼睛的一些记录中 [9, 10]。我们报告了来自跳蛛 Phidippus audax (Salticidae) 大脑的神经生理学记录的首次调查。该数据包括对人工和自然视觉刺激做出反应的单细胞记录。 salticid 视觉系统的独特之处在于，高清晰度和运动视觉由不同的眼睛对处理 [1]。我们发现主要眼睛和次要眼睛之间存在非线性相互作用，这可以从时空感受野的出现中推断出来。生态相关的图像，包括类似猎物的物体（如苍蝇）会引起单细胞的兴奋爆发。

结果与讨论

一个细胞外玻璃绝缘的钨电极通过前体上的一个小孔插入，然后推进到大脑中或略微后方，到达弓状体（图 1A）——一个大脑区域，在形态上和其作为高阶视觉处理的重要中心的假设作用上，都与其他节肢动物的中央体相似 [13, 15–17]。与节肢动物神经生理学制备中典型的大窗口相比，在角质层中做一个小开口（直径约 100–200 μm），我们能够防止灾难性的液体流失，这种液体流失限制了目前在蜘蛛中的记录。这种切口的规模使动物的凝血机制能够防止血淋巴的持续流失——确保了制备的活力，而无需额外的方法或技术复杂性。由于这项研究在神经生理学技术方面开辟了新局面，因此在补充实验程序，第 I-III 节（在线提供）中更详细地讨论了我们的方法。记录非常稳定，通常持续几个小时，并且是从 33 只动物的 53 个位点进行的。制备的寿命也很长，从每只动物的第一次记录到最后一次记录之间的平均时间为 2 小时（参见补充实验程序，第 VI 节）。钨电极产生细胞外记录，该记录可能包含多个尖峰单元（图 1B）。然而，传统的尖峰排序技术能够分离出单个单元——在这里，我们采用了一种已建立的方法，该方法基于幅度阈值和每个候选尖峰的小波分解产生的系数聚类来对尖峰进行排序 [14]（图 1B–1D；有关详细信息，请参见补充实验程序，第 II 节）。为了满足尖峰排序过程中统计上的基准，我们的数据通常包含数千个尖峰，这些尖峰被排序为单个单元并离线分析。我们的记录通常显示一个可识别的单元。

图 1 记录位点和样本记录

(A) 左上：近似视野——主要前正中眼（黄色），可移动范围的限制由黄色虚线表示，次要前外侧眼（深紫色）和次要后外侧眼（浅紫色）。由于这些眼睛大大缩小了，因此未显示小型的次要后正中眼的视野 [11]。重叠的视野用更饱和的色调表示。黑色箭头显示电极插入点。从希尔 [12] 重新绘制。右：前体的背侧（顶部）和外侧（底部）视图，显示了中枢神经系统 (CNS) 和眼睛排列；眼睛颜色如先前所示。绿色区域注释了弓状体的位置，弓状体是一个在组织学上易于识别的区域，在本研究中用作地标 [13]。灰色部分是一个示意图，描述了眼睛和 CNS 之间的连接（为简单起见，未显示早期视觉中心的特定形态）。背侧视图中的黑色圆圈和外侧视图中的黑色箭头显示了近似的电极位置和方向。基于希尔 [12]。左下：共聚焦图像验证了电极位置（白色箭头）刚好位于弓状体 (Arc) 之后，这可以通过电极损伤周围增加的荧光来证明。光学切片描绘了右上图中圈出的区域，并沿着右下图中虚线所示的平面。 (B) 来自细胞外记录的示例轨迹。电位是由生态相关的图像引起的（参见正文和图 3 和 S3)。在此示例中，使用尖峰排序算法 [14] 识别了两个单元，并相应地用红色和蓝色圆圈标记。 (C) 来自与 (B) 中相同的记录会话的时间扩展轨迹。 (D) 由尖峰排序算法识别的尖峰叠加。颜色对应于 (B) 和 (C) 中显示的尖峰。实线表示平均值；虚线表示与平均值的 2 个标准差。

由于这是对 salticid 大脑中神经处理的首次调查，我们采用了一系列刺激来探索这些动物如此独特的各种行为的潜在神经相关性。这三个刺激方案中的每一个都旨在替代性地探索以下一些神经基础：（1）对移动目标的捕食反应，（2）对生态相关物体的反应，以及（3）不同组眼睛之间的关系。此外，为了符合已建立的方法 [18]，我们还使用传统的正弦光栅刺激研究了基本细胞特征。细胞通常表现出对以 29°/s 的速度水平移动且具有高对比度的 6° 到 25° 条的偏好（n = 17；有关细胞表征的完整详细信息，请参见补充实验程序，第 VII 和 VIII 节，以及图 S2)。

猎物大小的移动目标

在实验室条件下，跳蛛对苍蝇诱饵表现出一致的捕食行为反应，跟踪并猛扑此类目标 [19]。即使诱饵相对简单（通常由固定在细线或钓鱼线上并以类似苍蝇的方式移动的死家蝇组成），它们也是成功的。虽然这些诱饵的运动只是对实际猎物的近似，但我们受到鼓舞，在我们的实验中部署了这种刺激的视频版本，因为 salticids 响应的行为可靠性（参见补充实验程序，第 IX 节）。在神经层面，我们决定使用类似猎物的刺激（而不是仅将蜘蛛暴露于宽视野刺激，如光栅和线条）得到了其他视觉系统工作的支持，这些工作发现单个神经元对小型移动目标特别敏感 [20, 21]，这些特征对于像 salticids 这样的掠食者来说似乎特别重要。

单个单元对小型移动类猎物刺激的反应非常强烈，即使在包含 24 分钟实验记录时间的 22 次重复中，放电模式也表现出很强的试验间一致性（图 2；视频 S1 和 S2)。然而，尽管试验间的一致性很高，但基于目标位置、速度和方向的广义线性模型只能解释一小部分神经反应（补充实验程序，第 X 节）。相反，神经反应可以用包含其他因素的更复杂的模型来解释。

图 2 跳蛛大脑中单个神经单元对人造目标的类猎物运动的反应

(A) 显示了一个猎物大小的黑色目标 (1.5°)，该目标以各种方向和速度在白色屏幕上移动（参见 视频 S1)。每个点表示视频每一帧的目标位置（以每秒 29 帧显示）。每个点的颜色和大小表示视频每一帧的 34 毫秒内的平均放电率（有关直方图和栅格，请参见 B 和 C），其中大而暖色的点表示放电增加。每个框显示一个 10 秒的间隔，从灰色圆圈突出显示的位置开始，到黑色圆圈标记的位置结束。还显示了间隔的开始和结束时间。先前 10 秒间隔中采取的目标路径以灰色显示。请注意，目标速度不是恒定的，并且有时目标会移出屏幕框架，然后在不同的位置重新进入（例如，在第三个面板中，当目标移出屏幕底部并在右侧重新出现时）。 (B) 线直方图（使用高斯滤波器平滑，SD = 36 毫秒 [18]）显示了 64 秒刺激的 22 次呈现中的总体反应。 (C) 每次试验的尖峰时间栅格。请注意，在整个 24 分钟的实验期间，放电模式从试验到试验的一致性。 另请参见 图 S3。

生态相关的图像

跳蛛主要眼睛的解剖结构应该允许它们检测目标外观的微小变化 [22]，并且行为研究表明，它们对视频屏幕上显示的对象做出不同的反应 [23, 24]。因此，我们展示了苍蝇（潜在的猎物）、同种跳蛛（潜在的配偶或竞争对手）和异种跳蛛（潜在的猎物或竞争对手）的背侧和侧面图像（图 3；视频 S3)。每个图像的大小都经过调整，以保留对象的自然角度尺寸（图 3A），并在六个连续的位置显示，大约在蜘蛛的视觉地平线下 2°（参见图 3B 和 S3A）。图像在给定位置总共显示 6 秒，在 0.8° 的范围内来回移动，然后消失并在下一个位置重新出现。

图 3 对生态相关图像的反应

(A) 用于测试对潜在显著对象的反应的图像的代表性图纸。 (B) 单个单元对六个不同水平位置的图像的反应（水平 -25°、-15°、-5°、+5°、+15° 和 +25°，视觉地平线下 2°；有关更多详细信息，请参见补充实验程序，第 XI 节），显示了试验的一个子集（八个标准试验和三个加扰试验）。栅格显示尖峰时间，直方图的构建方式与图 2A 相同。由于偏爱苍蝇的背视图，因此构建并测试了加扰的苍蝇图像，保留了图像的所有部分，但破坏了其整体身份。加扰的苍蝇的呈现与标准刺激交错，并且没有产生不同的反应。 (C) (B) 中显示的单元在所有试验中的反应摘要（标准图像，n = 20；加扰图像，n = 14），其中箱线图显示了每个图像的背视图和侧视图的反应，汇总了所有位置。数据是在 5 小时的时间窗口内收集的，在此期间，总体放电率有所波动。由于基线放电率的变化，因此采用归一化过程来方便试验之间的比较，从而产生了“尖峰分数”。尖峰分数反映了给定刺激的放电率，该刺激已通过试验中所有刺激-位置组合的平均反应进行了归一化处理。因此，该分数是乘法的——例如，尖峰分数为 2 表示给定试验的平均活动的两倍（有关详细信息，请参见补充实验程序，第 XII 节）。所描绘的单元在所有试验中的平均放电率为 13.7 个尖峰/秒。红线显示中位数分数，箱子延伸到数据的第 25 个和第 75 个百分位数，晶须延伸到覆盖正态分布的第 99 个百分位数。此范围之外的数据点显示为圆圈。蓝色十字表示与随机反应（即平均反应；参见正文）显着不同的反应，而星号表示与加扰苍蝇的反应显着不同的反应（Wilcoxon 秩和检验，在 Bonferroni 校正进行多次检验后，p < 0.05）。完整的苍蝇背视图的中位数尖峰分数明显高于随机反应的中位数和对加扰苍蝇的反应的中位数（中位数尖峰分数：苍蝇背视图 = 1.6，随机反应 = 0.9，加扰苍蝇 = 1.0；中位数放电率：苍蝇背视图 = 14.9 个尖峰/秒，随机反应 = 7.2 个尖峰/秒，加扰苍蝇 = 5.9 个尖峰/秒）。 (D) 每次试验的中位数放电率。这些值用作确定尖峰分数的归一化因子（随机反应）。

单个单元的反应如图 3 所示。该单元显示出对屏幕右侧（位置 5 和 6；图 S3B；有关具有类似反应的同步记录的第二个单元，请参见图 S3C 和 S3D）的苍蝇背侧图像的偏好。要充分理解神经对这些图像的动态反应的性质，最好观看生成图 3A–3C 中的数据的实验视频；参见视频 S3。

作为对照，我们展示了首选的苍蝇图像的加扰版本，该版本保留了苍蝇的大小和对比特征，同时破坏了其形象完整性，这是黄蜂 [25] 和灵长类动物 [26, 27] 的面部识别实验中使用的对照。加扰的苍蝇的图像与原始刺激集交错。在超过 5 小时的总实验时间内，由于基线放电的变化，平均放电率发生了变化。因此，通过每次试验的平均放电率对反应（包括刺激呈现期间的平均放电率）进行归一化处理，以方便统计比较，从而产生了“尖峰分数”（图 3C；有关详细信息，请参见补充实验程序，第 XII 节）。

针对总体平均反应（即随机反应；参见图 3C）测试了对每个刺激的反应，计算的分布表示给定神经元（具有与原始神经元相同的平均放电率和中位数放电率）的预期反应（如果它对任何一个刺激都没有偏好）[28]（参见补充实验程序，第 XII 节）。图 3C 中显示的单元对苍蝇的侧面和背面图像的反应显着大于此总体平均反应（图 3C；中位数放电率：苍蝇侧视图 = 10.0 个尖峰/秒，苍蝇背视图 = 14.9 个尖峰/秒，随机反应 = 7.2 个尖峰/秒；中位数尖峰分数：苍蝇侧视图 = 1.2，苍蝇背视图 = 1.6，随机反应 = 0.9；Wilcoxon 秩和检验，在 Bonferroni 校正进行多次检验后，p < 0.05；参见视频 S3)。对完整的苍蝇背侧图像的反应也与对加扰图像的反应显着不同且更大（图 3C；中位数放电率：苍蝇背视图 = 14.9 个尖峰/秒，加扰苍蝇 = 5.9 个尖峰/秒，中位数尖峰分数：苍蝇背视图 = 1.6，加扰苍蝇 = 1.0；Wilcoxon 秩和检验，在 Bonferroni 校正进行多次检验后，p < 0.05）。这只蜘蛛中的另一个不同单元，以及从另一只蜘蛛记录的单元，表现出相似的反应模式（图 S3)。

主要眼睛和次要眼睛之间的相互作用是非线性的

salticid 视觉最不寻常的特征之一是将视觉任务分离到解剖学上不同的眼睛之间。在两组面向前方的眼睛中，高清晰度视觉是大型主要眼睛的领域 [22]，而运动检测主要由较小的次要眼睛承担（图 1A） [29–31]。我们通过选择性地将遮眼物放置在每组眼睛前，将主要视觉输入与次要视觉输入分离，这是一个简单且可逆的过程（参见补充实验程序，第 V 节）。然后，我们部署了我们的第三个刺激方案，一种类似白噪声的刺激，使我们能够识别时空感受野 (STRF)，揭示视觉视野内特定位置的偏好，以及神经反应的时间相关方面 [32, 33]。该刺激由一个 15 帧的序列组成，该序列由 16 × 16 像素的伪随机分布的黑白棋盘格组成，每帧显示 100 毫秒 [32]（图 4A；有关示例响应，请参见视频 S4，有关完整刺激详细信息，请参见补充实验程序，第 XIII 节）。序列之间用 500 毫秒的无特征灰色 (50%) 屏幕分隔，该屏幕用作内部对照（图 4B）。在每次 26 分钟的记录会话后，通过尖峰排序识别单元，并将各个单元的放电模式与屏幕上每个位置的棋盘格模式进行反向关联。

[](https://www.cell.com/current-biology/fulltext/</cms/10.1016/j.cub.2014.09.029/asset/83f71fba-344