C. elegans 状态切换导航策略在化学趋化中的优势

动物采用不同的策略来将感官输入与行为输出关联，以导航感官环境，但何时使用何种策略以及为何切换仍不清楚。在 C. elegans 中，导航由“驾驶”和“转向”组成，分别对应小幅度航向变化和大幅度重新定向事件。目前尚不清楚，这些元素的转换是否仅由感官输入驱动，或受由时间持续的内部状态影响。也不清楚蠕虫如何实现看似出人意料的导航——例如，蠕虫似乎会以正确的方向离开转向，以便指向目标，尽管它们在转向期间可能缺乏对空间的意识。本文通过详细测量感官引导的导航以及新颖的状态依赖导航统计模型来解决这些问题。我们表明，蠕虫的导航可由一种描述两种不同状态的感官驱动状态切换模型良好地建模，这两种状态持续数秒，并产生不同的感知-运动关系混合物。一种状态以驾驶为特征，另一种状态以转向为特征。这种策略的层次化、时间化组织挑战了之前关于策略在时间上保持静态且仅由即时感官输入驱动的假设。感官输入在这些持久的内部状态之间引发转换，产生“有指向性的转向”的外观。通过遗传突变和数据受约束的强化学习模型，我们演示了状态切换可提高梯度攀登性能。通过结合测量、扰动和建模，我们表明，状态切换在组织行为时间结构中发挥功能性有益作用——这一原则很可能在种类和情境之间普遍适用。