研究人員從昆蟲大腦中發(fā)現(xiàn)用于3D視覺的神經(jīng)元

英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的科學(xué)家在昆蟲大腦中發(fā)現(xiàn)了計算3D距離和方向的神經(jīng)元。了解這些可能有助于提高和發(fā)展機器人視覺應(yīng)用。

在第一次在顯微鏡下拍攝的令人驚嘆的圖像中，神經(jīng)元在螳螂身上被發(fā)現(xiàn)。這項工作今天發(fā)表在Nature Communications上。

在一個特別設(shè)計的昆蟲電影院里，螳螂戴上3D眼鏡，觀看模擬昆蟲的3D電影，同時監(jiān)測它們的大腦活動。當(dāng)這種蟲子的圖像進(jìn)入掠食性攻擊的攻擊范圍時，科學(xué)家羅尼·羅斯納(Ronny Rosner)博士能夠記錄下單個神經(jīng)元的活動。

羅斯納博士是紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)神經(jīng)科學(xué)研究所的研究員，也是該論文的主要作者。

他說:“這有助于我們解答昆蟲是如何用如此微小的大腦實現(xiàn)令人驚訝的復(fù)雜行為的，理解這一點有助于我們開發(fā)更簡單的算法，從而開發(fā)出更好的機器人和機器視覺?！?/p>

3D神經(jīng)元

螳螂用三維感知，科學(xué)上稱為立體視覺，來狩獵。通過利用兩個視網(wǎng)膜之間的差異，它們能夠計算距離，并在獵物觸手可及時觸發(fā)前腿的攻擊。記錄下來的神經(jīng)元被染色，顯示出它們的形狀，這使得研究小組能夠識別出四類可能與螳螂立體視覺有關(guān)的神經(jīng)元。

用高倍顯微鏡拍攝的圖像顯示了神經(jīng)細(xì)胞的樹突狀結(jié)構(gòu)——神經(jīng)細(xì)胞接收來自大腦其他部分的輸入——這被認(rèn)為是導(dǎo)致這種行為的原因。

羅斯納博士解釋說 ：“盡管螳螂的大腦體積很小，但卻含有數(shù)量驚人的神經(jīng)元，這些神經(jīng)元似乎專門用于三維視覺。這表明螳螂的深度感知比我們想象的要復(fù)雜。雖然這些神經(jīng)元計算距離，但我們?nèi)匀徊恢谰唧w是如何計算的”。

“即便如此，由于它們的大腦比我們的大腦小得多，我們希望螳螂能幫助我們開發(fā)出更簡單的機器視覺算法?！?/p>

這項更廣泛的研究項目由勒沃休姆信托基金(Leverhulme Trust)資助，由紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)(Newcastle University)視覺科學(xué)教授珍妮?里德(Jenny Read)領(lǐng)導(dǎo)。

她說 ：“在某些方面，螳螂身上的特征與我們在靈長類動物視覺皮層中看到的相似。當(dāng)我們看到兩個完全不同的物種獨立地進(jìn)化出類似的解決方案時，我們知道這一定是解決3D視覺的一個很好的方法”。

“但我們也在3D視覺回路中發(fā)現(xiàn)了一些反饋回路，這在脊椎動物中還沒有報道過。我們的3D視覺很可能包含類似的反饋回路，但在不那么復(fù)雜的昆蟲大腦中，識別它們要容易得多，這為我們探索提供了新的途徑?！?/p>

這是第一次有人在無脊椎動物的大腦中識別出特定的神經(jīng)元類型，這些神經(jīng)元與三維空間中的位置相協(xié)調(diào)。

紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的研究小組打算進(jìn)一步發(fā)展他們的研究，以便更好地理解螳螂相對簡單的大腦的計算，目的是開發(fā)更簡單的機器和機器人視覺算法。