研究人员确定了负责对快速温度变化做出反应的大脑中枢

我们都听说过这样一句话：把一只青蛙放在沸水中，它就会跳出来。但是把同一只青蛙放在温水中，逐渐加热，你就会把青蛙煮熟。城市神话经常被用作许多人对缓慢上升的威胁的不紧不慢和顽固反应的隐喻，其背后的机制已成为科学迷恋的主题。

这个寓言似乎激发了西北大学的新研究，该研究确定了负责快速威胁检测的大脑通路。

“动物更有可能对快速而不是缓慢的环境变化做出反应，”主要作者、西北大学温伯格艺术与科学学院神经生物学副教授Marco Gallio说。“在本研究中，我们发现果蝇的大脑回路选择性地响应快速的热变化，为逃逸行为做好准备。

研究结果于上周发表在《自然通讯》杂志上。

加里奥通常使用果蝇来了解感觉回路以及它们创造对物理世界的感知的方式。该实验室以苍蝇为模型，研究了神经元数量（100,000个）比人类（大约1000亿个）少一小部分的动物的基本决策原则。作为一种经过充分研究的生物学研究模式生物，苍蝇也是有用的主题，因为已有研究苍蝇神经元和行为的工具。

“大脑中对外部刺激的反应通常有两种类型：一些神经元对光或温度等刺激的反应非常持久，”加利奥说。其他神经元在开始时就被激活，比如当灯亮起时，它们的活动就消失了。我们一直想知道这些短暂的反应有什么意义。

在视觉刺激中，大脑会注意到明暗之间的巨大对比。加里奥说，直觉上的反应对触觉也有意义：当你的手放在表面上时，你不会考虑压力。然而，用手抚摸新的东西，你会发现质地的细微变化。Gallio的团队想看看温度感是否也是如此。

为了探索苍蝇如何应对快速变化，研究小组使用高分辨率相机观察苍蝇在不同温度环境中的飞行。当苍蝇遇到快速的热锋时，它们总是会掉头远离它。

实验室发现，苍蝇总是在温度快速变化的情况下做出反应，但对缓慢变化则没有反应。

研究小组还发现了苍蝇大脑中的一个回路，该回路仅对快速的温度变化（每秒超过0.2摄氏度）做出反应。就像视觉系统的开光细胞一样，这些神经元在快速加热开始时放电，然后安静下来。

“我们的假设是，这些热开启反应可能确实与温度变化率相关，”该研究的第一作者、加里奥实验室的博士生Jenna Jouandet说，“因此，可能允许苍蝇预测危险的热条件并准备逃跑。

事实上，当研究人员通过实验使这些神经元失活时，苍蝇逃脱的速度就不那么快了。

为了更好地了解这些神经元的活动对苍蝇的行为很重要，研究人员与西北大学应用数学教授、新成立的国家生物学理论与数学研究所副所长威廉·凯斯（William Kath）合作。应用数学博士生理查德·苏亨德拉（Richard Suhendra）建立了一个带有两个天线和两个轮子的小型计算机模型，以演示添加一个预测危险热量的神经元如何提高车辆响应的灵活性。（通过 Gallio Lab 网页上的简单游戏来玩模型。

“我们最初发现的神经元从触角上的热感觉神经元获取输入，并将信息传递到更高的大脑，”Gallio说。“苍蝇是绘制大脑回路的一个很好的模型，因为我们能够重建从感觉神经元一直到产生运动的中心的完整回路。

加里奥解释说，对于一只小苍蝇来说，快速的变化几乎总是危险的。

“如果温度在30或40秒内每秒变化半度 – 这不是那么多，那只苍蝇可能已经死了，”加里奥说。“这个系统是一个警钟，敲响了动物逃跑的准备。我们看到苍蝇逃跑了。

加里奥假设，这些结果是可以广泛推广的，特别是因为他看到它在人类身上发挥作用，无论有人进入一个不同温度的房间还是洗热水澡。他说，这些神经元似乎能够感知到其他人无法感知的东西——它们似乎能够预测未来。

本出版物中报告的研究得到了美国国立卫生研究院（R01NS086859，R21EY031849和R21NS130554的资助），生物医学科学皮尤学者计划和麦克奈特神经科学技术创新奖的支持。该研究部分得到了西北大学Quest高性能计算设施的计算资源的支持，该设施由教务长办公室，研究办公室和西北大学信息技术共同支持;昼夜节律和睡眠研究培训补助金 （T32HL007909） 和美国国家科学基金会研究培训补助金 （DMS-1547394）。