近期发表于《Nature Neuroscience》的一项开放获取研究，基于电子显微镜数据集重建了果蝇水平系统细胞的核心神经网络结构，揭示了该网络由汇聚的视觉输入层、一个复发性抑制的中间层以及一个发散性的输出层组成。通过双光子钙成像、GABA受体调控实验及计算建模，研究发现侧向去抑制机制能够降低输出神经元对平移运动的敏感性，同时显著增强其对旋转运动的选择性。单侧神经元操控实验进一步证实了中间层神经元与下行输出神经元在果蝇转向行为中的关键作用。这些成果首次揭示了竞争性去抑制作为光流处理中旋转信号检测的核心回路机制，为理解动物在动态环境中导航提供了重要神经生物学基础。
背景：光流处理与导航中的旋转-平移信号分离
许多动物依赖视觉光流信息进行空间导航，尤其通过检测双眼视野中旋转引起的图像速度差异来调整运动方向。向前平移运动产生的对称光流可能掩盖这些差异，但大脑能够有效提取双眼不对称的旋转信号以实现精准的航向控制。在果蝇中，单眼的水平系统神经元（HS细胞）对双眼不对称的旋转光流敏感，参与转向调节。然而，支持这种鲁棒光流处理的神经网络功能组织及其机制尚未完全阐明。
关键发现
1. DNp15神经元对平移运动的敏感性低于HS细胞
- HS细胞对同侧前后运动表现出强烈响应，而其下游神经元DNp15则显示出更强的旋转选择性，且对平移刺激的反应显著减弱。DNp15投射至腹神经索（VNC）中与颈部、平衡器官、翅膀及腿部运动相关的区域，提示其在行走转向中发挥重要作用。
2. 不同中央网络处理旋转光流
- 通过电子显微镜重建，绘制了HS、H2和VS细胞的下游神经网络，鉴定出由GABA能中间神经元（LPTCrns）组成的中间抑制层，以及分散投射至VNC和高级脑区（如侧副叶）的输出层。
- H2-HS网络主要处理水平旋转信号，VS网络处理垂直旋转信号，两者部分重叠并通过共同的LPTCrns连接。
3. 中间层神经元的光流响应特性
- 鉴定出三类LPTCrns神经元（bIPS、uLPTCrn、H2rn），它们对水平运动具有方向选择性，但对平移刺激的响应不同。bIPS对平移刺激响应强烈，而uLPTCrn和H2rn响应较弱或无响应。bIPS的响应特性部分由其接受的来自uLPTCrn和H2rn的GABA能抑制输入调控。
4. 竞争性去抑制增强旋转选择性
- 破坏bIPS中的GABA-A受体信号降低了其对平移刺激的选择性，表明GABA能抑制调控其响应。阻断bIPS的突触输出或GABA-A信号改变了HS和DNp15对复合光流（旋转+平移）的响应，显示bIPS在抑制平移成分中起关键作用。
- 研究提出模型：bIPS通过与uLPTCrn的相互抑制形成侧向去抑制回路，放大DNp15中的旋转信号，同时抑制平移成分。
5. 不对称神经活动驱动转向行为
- 单侧沉默DNp15或bIPS导致果蝇行走轨迹向同侧偏转，而双侧沉默无明显效应，证实这些神经元的不对称活动直接控制转向行为。
机制模型与研究意义
模型解析：在H2-HS网络中，HS和H2细胞提供兴奋性视觉输入。中间层的GABA能中间神经元（bIPS、uLPTCrn、H2rn）构成竞争性去抑制回路。当产生旋转光流时，一侧HS/H2细胞激活，通过抑制对侧中间神经元，导致对侧DNp15去抑制，产生不对称输出驱动转向。平移光流时，bIPS被双侧激活，通过侧向抑制维持DNp15中旋转信号的对比度，确保旋转信号的稳健检测。
核心概念突破：
- 平移-旋转信号分离的回路机制：首次在神经回路层面揭示了光流敏感神经元如何从混合视觉信号中提取旋转成分。
- 竞争性去抑制的关键作用：侧向去抑制而非简单的兴奋-抑制平衡是增强旋转选择性的核心机制。
- 多层网络架构：输入层（HS/H2细胞）、中间抑制层和发散输出层的分层结构为光流处理提供了模块化与可调节性。
研究局限与未来方向
- 局限：钙成像主要反映去极化活动，可能遗漏超极化信息；模型未考虑电突触及神经动力学细节；行为实验在相对简单的环境中进行。
- 未来方向：结合电生理技术记录超极化响应；在自由运动的果蝇中验证网络功能；研究LPTCrns如何整合其他感觉信息（如本体感觉）以区分自身运动与环境运动。
专家点评
BioGuider特邀评论员、神经科学家王敏教授评价：“这项研究优雅地结合了连接组学、功能成像与计算建模，深入解析了光流处理中旋转与平移信号分离的神经回路机制。竞争性去抑制的发现为理解感觉运动转换中的‘不变性’计算提供了全新范例。”
文献来源：
Isaacson, M.D., et al. A competitive disinhibitory network for robust optic flow processing in Drosophila. Nat Neurosci 28, 1241–1255 (2025). https://doi.org/10.1038/s41593-025-01948-9