Nature：在果蠅中，一個(gè)腦細(xì)胞可以驅(qū)動(dòng)身體的多種運(yùn)動(dòng)

來源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2024-03-22 14:17:00【大中小】

摘要：哥倫比亞大學(xué)祖克曼研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)，單個(gè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元可以以比以前想象的更復(fù)雜的方式指導(dǎo)昆蟲的身體運(yùn)動(dòng)。

運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元是大腦用來指揮肌肉活動(dòng)的細(xì)胞?？茖W(xué)家們通常認(rèn)為它們是簡(jiǎn)單的連接，就像連接電腦和配件的電纜一樣?，F(xiàn)在，在對(duì)果蠅的研究中，哥倫比亞大學(xué)祖克曼研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)，單個(gè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元可以以比以前想象的更復(fù)雜的方式指導(dǎo)昆蟲的身體運(yùn)動(dòng)。

研究結(jié)果發(fā)表在3月20日的《自然》雜志上。

圖1 運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元通過本體感覺產(chǎn)生姿勢(shì)定向運(yùn)動(dòng)

“這是科學(xué)家們第一次在3D中分析單個(gè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元在身體自然運(yùn)動(dòng)時(shí)的行為，如果不知道每個(gè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的作用，你就無法理解大腦是如何讓身體運(yùn)動(dòng)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(dòng)起來的一樣。”哥倫比亞祖克曼研究所的副研究科學(xué)家Stephen Huston博士說。

運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元是大腦控制身體動(dòng)作的最后環(huán)節(jié)，從手指的輕彈到眼睛的眨眼。盡管這一關(guān)鍵任務(wù)，研究人員現(xiàn)在才開始揭示單個(gè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元在運(yùn)動(dòng)中所起的作用。測(cè)量運(yùn)動(dòng)動(dòng)物的單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)在實(shí)驗(yàn)上已被證明是困難的。

現(xiàn)在，隨著實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的進(jìn)步，研究人員可以在果蠅自由移動(dòng)時(shí)操縱果蠅的單個(gè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元。

在霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所Janelia研究校園開始的實(shí)驗(yàn)中，研究人員的第一步是激活25個(gè)左右運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元中的光敏分子，這些神經(jīng)元控制著芝麻大小的果蠅的頭部運(yùn)動(dòng)。這使得科學(xué)家們可以用紅光一次一個(gè)地打開運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元。與此同時(shí)，他們記錄了由此產(chǎn)生的頭部運(yùn)動(dòng)，并使用人工智能技術(shù)來跟蹤這些運(yùn)動(dòng)。

“大多數(shù)神經(jīng)元作為一個(gè)群體協(xié)同行動(dòng)，所以當(dāng)我們一次只激活一個(gè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元時(shí)，我們并不期望看到太多甚至任何頭部運(yùn)動(dòng)”。

科學(xué)家們預(yù)計(jì)，每個(gè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元最多只能產(chǎn)生一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)作——例如，讓頭部向左轉(zhuǎn)10度。相反，通過后來在研究所進(jìn)行的計(jì)算分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，激活每個(gè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元可以使頭部以各種方式旋轉(zhuǎn)，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(shì)。

圖2 兩個(gè)頸部運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的光學(xué)和電子顯微鏡圖像的比較

加州大學(xué)圣巴巴拉分校的博士生Benjamin Gorko是這項(xiàng)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(gè)神經(jīng)元來驅(qū)動(dòng)這些運(yùn)動(dòng)。”

科學(xué)家們把這種電機(jī)控制比作一個(gè)數(shù)字恒溫器，在那里，在一個(gè)理想的溫度下打孔，將使房間根據(jù)當(dāng)前的室溫升溫或降溫。同樣，當(dāng)研究人員刺激每個(gè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元時(shí)，果蠅的頭部會(huì)朝著特定于該運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的姿勢(shì)移動(dòng)，昆蟲的頭部會(huì)根據(jù)其開始的姿勢(shì)朝一個(gè)方向或另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到所需的位置。

研究小組的恒溫器模型表明，當(dāng)大腦想要以一種特定的方式移動(dòng)身體時(shí)，它不能每次都簡(jiǎn)單地刺激同一組運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，并期望得到相同的結(jié)果。相反，大腦必須根據(jù)接收到的有關(guān)身體當(dāng)前姿勢(shì)的感覺數(shù)據(jù)，計(jì)算出激活哪些運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元。事實(shí)上，當(dāng)科學(xué)家刺激運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元時(shí)，控制果蠅頭部位置的感覺神經(jīng)元的失活改變了果蠅的運(yùn)動(dòng)方式。

確定果蠅大腦在細(xì)胞水平上的作用不僅僅是一個(gè)學(xué)術(shù)練習(xí)。Huston博士說:“更好地了解運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的作用可以幫助我們了解影響運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的疾病，比如肌萎縮性側(cè)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(nèi)其他種類的神經(jīng)元，比如視覺系統(tǒng)中的神經(jīng)元，是如何與運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元相互作用來控制運(yùn)動(dòng)的。

參考資料

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