从起飞到飞翔苍蝇神经系统的线路图

发布时间：2024-08-07 16:12:01 栏目：精选知识

导读 目前，研究人员正在研究控制果蝇肌肉的中枢神经系统运动回路的接线图。该接线图被称为连接组，它已经提供了腿部运动神经协调与控制翅膀神经...

目前，研究人员正在研究控制果蝇肌肉的中枢神经系统运动回路的接线图。该接线图被称为连接组，它已经提供了腿部运动神经协调与控制翅膀神经协调有何不同的详细信息。



尽管果蝇看起来像简单的生物，但研究人员表示，它们的运动系统却具有“意想不到的复杂程度”。

科学家们观察到：“一只典型的苍蝇运动神经元从数百个突触前运动神经元接收数千个突触。这个数字与啮齿动物皮层锥体细胞中突触整合的规模相当。”

该领域的一些最新发现发表在6月26日的科学期刊《自然》上的两篇论文中。它们的标题分别是“果蝇腿部和翅膀前运动控制网络的突触结构”和“雌性果蝇腹侧神经索的连接组重建”。

共同指导这项研究的资深科学家是西雅图华盛顿大学医学院生理学和生物物理学副教授John C. Tuthill和波士顿哈佛医学院学副教授 Wei-Chung Allen Lee 。一个由多所机构组成的科学家小组为这项研究做出了贡献。

这项研究促进了人们对动物中枢神经系统如何协调各个肌肉以执行各种行为的理解。例如，果蝇用腿进行跳跃、行走、梳理毛发、打斗和求爱。它还可以调整步态以适应地形，如室内植物、墙壁、潮湿表面、天花板，甚至是昆虫级跑步机。

所有这些动作，从使苍蝇保持稳定姿势的姿势反射，到越过障碍物或改变飞行方向，都源自运动神经元发出的电信号。这些信号通过运动神经元发出的线状投射来刺激肌肉。

研究人员指出，苍蝇的六条腿仅由 60 到 70 个运动神经元控制。他们指出，在猫身上，大约有 600 个运动神经元控制着一条猫小腿肌肉。只有 29 个运动神经元控制着果蝇翅膀的动力和转向肌肉。相比之下，蜂鸟的胸肌由 2,000 个运动神经元控制。

尽管苍蝇的运动神经元很少，但它却能完成非凡的空中和陆地动作。

科学家解释道，运动单位由单个运动神经元和它能刺激的肌肉纤维组成。各种运动单位以不同的组合和顺序被激活，相互协作，实现各种各样的运动行为。

参与这两项研究的科学家对运动前回路的布线逻辑很感兴趣。他们想了解苍蝇的神经系统如何协调运动单元来完成各种任务。

其中一项研究采用了自动化工具、机器学习、细胞类型注释和电子显微镜，识别出雌性果蝇腹侧神经索中的 14,600 个神经元细胞体和约 4500 万个突触(信号传输连接点)。果蝇的腹侧神经索类似于脊椎动物的脊髓。科学家们继续应用深度学习来自动重建雌性果蝇体内神经元及其连接的解剖结构。

然后，研究人员使用复杂的方法绘制腿部和翅膀运动神经元所针对的肌肉。他们确定了雌性成年苍蝇神经索连接组中的哪些运动神经元与前腿和翅膀的个别肌肉相连。在此基础上，他们创建了在起飞和飞行运动启动期间协调苍蝇腿部和翅膀运动的电路图谱。

为了腾空，苍蝇会伸展中腿跳跃，弯曲前腿起飞。这很像滑行中的客机离开地面后收起轮子，或涉水苍鹭在冲向天空时收起细长的腿，以免它们挡住路。

作为研究的一部分，科学家还发现成年果蝇的一些肌肉纤维受到多个运动神经元的支配。果蝇幼虫和蝗虫也会出现这种情况。虽然一些哺乳动物在新生儿时期就有多个神经纤维支配，但这些神经纤维通常会在成年后消失。

多重神经支配可能提供更大的灵活性，并解释了为什么昆虫的肢体尽管运动神经元如此之少却能精确操作。

科学家还研究了苍蝇的翅膀运动系统，该系统按功能大致分为三个部分：为翅膀拍打提供动力、引导昆虫飞行以及调整翅膀运动。

通过研究运动前神经元的连接性，研究人员能够比较两种肢体的运动前回路的组织。果蝇的腿和翅膀具有不同的进化和生物力学。

更广泛地说，连接组让科学家能够提出有关神经回路如何运作的新理论，并揭穿一些错误观念。科学家们提到，最近社区努力开发果蝇连接组，已经为任何有肢动物绘制了第一个突触级接线图。他们希望更多的连接组能让研究人员比较不同个体的神经接线。预计雄性果蝇中枢神经索的重建可能会阐明两性之间的差异。

该研究得到了 Searle 学者奖、Klingenstein-Simons 奖学金、皮尤生物医学学者奖、McKnight 学者奖、Sloan 研究奖学金、纽约干细胞基金会、华盛顿大学创新奖、Genise Goldenson 奖、美国国立卫生研究院拨款 U19NS104655、RO1MH177808 的支持。