Nature：在果蠅中，一個腦細胞可以驅動身體的多種運動

來源：作者：人氣：-發表時間：2024-03-22 14:17:00【大中小】

摘要：哥倫比亞大學祖克曼研究所的研究人員發現，單個運動神經元可以以比以前想象的更復雜的方式指導昆蟲的身體運動。

運動神經元是大腦用來指揮肌肉活動的細胞。科學家們通常認為它們是簡單的連接，就像連接電腦和配件的電纜一樣。現在，在對果蠅的研究中，哥倫比亞大學祖克曼研究所的研究人員發現，單個運動神經元可以以比以前想象的更復雜的方式指導昆蟲的身體運動。

研究結果發表在3月20日的《自然》雜志上。

圖1 運動神經元通過本體感覺產生姿勢定向運動

“這是科學家們第一次在3D中分析單個運動神經元在身體自然運動時的行為，如果不知道每個運動神經元的作用，你就無法理解大腦是如何讓身體運動的，就像如果不了解木偶線的作用，你就無法理解木偶師是如何讓木偶動起來的一樣。”哥倫比亞祖克曼研究所的副研究科學家Stephen Huston博士說。

運動神經元是大腦控制身體動作的最后環節，從手指的輕彈到眼睛的眨眼。盡管這一關鍵任務，研究人員現在才開始揭示單個運動神經元在運動中所起的作用。測量運動動物的單個神經元的活動在實驗上已被證明是困難的。

現在，隨著實驗室技術的進步，研究人員可以在果蠅自由移動時操縱果蠅的單個運動神經元。

在霍華德休斯醫學研究所Janelia研究校園開始的實驗中，研究人員的第一步是激活25個左右運動神經元中的光敏分子，這些神經元控制著芝麻大小的果蠅的頭部運動。這使得科學家們可以用紅光一次一個地打開運動神經元。與此同時，他們記錄了由此產生的頭部運動，并使用人工智能技術來跟蹤這些運動。

“大多數神經元作為一個群體協同行動，所以當我們一次只激活一個運動神經元時，我們并不期望看到太多甚至任何頭部運動”。

科學家們預計，每個運動神經元最多只能產生一個簡單的動作——例如，讓頭部向左轉10度。相反，通過后來在研究所進行的計算分析，研究人員發現，激活每個運動神經元可以使頭部以各種方式旋轉，有些甚至是相互相反的方向，這取決于果蠅頭部的起始姿勢。

圖2 兩個頸部運動神經元的光學和電子顯微鏡圖像的比較

加州大學圣巴巴拉分校的博士生Benjamin Gorko是這項研究的第一作者，他說:“我真的很興奮，我們可以如何具體地激活單個神經元來驅動這些運動。”

科學家們把這種電機控制比作一個數字恒溫器，在那里，在一個理想的溫度下打孔，將使房間根據當前的室溫升溫或降溫。同樣，當研究人員刺激每個運動神經元時，果蠅的頭部會朝著特定于該運動神經元的姿勢移動，昆蟲的頭部會根據其開始的姿勢朝一個方向或另一個方向旋轉，以達到所需的位置。

研究小組的恒溫器模型表明，當大腦想要以一種特定的方式移動身體時，它不能每次都簡單地刺激同一組運動神經元，并期望得到相同的結果。相反，大腦必須根據接收到的有關身體當前姿勢的感覺數據，計算出激活哪些運動神經元。事實上，當科學家刺激運動神經元時，控制果蠅頭部位置的感覺神經元的失活改變了果蠅的運動方式。

確定果蠅大腦在細胞水平上的作用不僅僅是一個學術練習。Huston博士說:“更好地了解運動神經元的作用可以幫助我們了解影響運動系統的疾病，比如肌萎縮性側索硬化癥，也被稱為ALS或盧·格里克病。”

接下來，研究人員想要研究果蠅體內其他種類的神經元，比如視覺系統中的神經元，是如何與運動神經元相互作用來控制運動的。

參考資料

[1] Motor neurons generate pose-targeted movements via proprioceptive sculpting


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此文關鍵字：運動神經元

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