科學(xué)家記錄果蠅在3D“跑步機(jī)”上行走的過程及大腦中視覺神經(jīng)元的變化

當(dāng)葡萄牙Champalimaud基金會(huì)的神經(jīng)科學(xué)家Eugenia Chiappe第一次看到這些結(jié)果時(shí)，她有一種預(yù)感，她的團(tuán)隊(duì)有了一個(gè)特殊的發(fā)現(xiàn)。他們從視覺神經(jīng)元中進(jìn)行記錄，但房間是黑暗的，所以沒有視覺信號(hào)可以以這種方式驅(qū)動(dòng)神經(jīng)元。

Chiappe回憶說：“這意味著這種不尋常的活動(dòng)要么是一種偽裝，這不太可能，要么是來自于非視覺來源。在對(duì)干擾的可能性進(jìn)行調(diào)查和排除后，我確信：神經(jīng)元在忠實(shí)地跟蹤動(dòng)物的步伐。”

幾年后，研究人員有了許多新的見解，Chiappe和她的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在在科學(xué)雜志《神經(jīng)元》上介紹了他們的發(fā)現(xiàn)：一個(gè)連接腿部和視覺系統(tǒng)的雙向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以塑造行走。

Chiappe說：“我們發(fā)現(xiàn)的最顯著的方面之一是，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)支持兩個(gè)不同時(shí)間尺度的行走。它在一個(gè)快速的時(shí)間尺度上運(yùn)行，以監(jiān)測(cè)和糾正每一步，同時(shí)促進(jìn)動(dòng)物的行為目標(biāo)。”

Chiappe說：“視覺和行動(dòng)似乎不相關(guān)，但它們實(shí)際上是緊密聯(lián)系的；只要在墻上選擇一個(gè)點(diǎn)，試著閉著眼睛把手指放在上面。然而，人們對(duì)這種聯(lián)系的神經(jīng)基礎(chǔ)知之甚少。”

在這項(xiàng)研究中，研究小組專注于一種特殊類型的視覺神經(jīng)元，這種神經(jīng)元已知與運(yùn)動(dòng)腦區(qū)相連。該研究的第一作者Terufumi Fujiwara解釋說：“我們想確定這些神經(jīng)元接收的信號(hào)，并了解它們是否以及如何參與運(yùn)動(dòng)。”

為了回答這些問題，F(xiàn)ujiwara使用了一種強(qiáng)大的技術(shù)，即全細(xì)胞貼片記錄，使他能夠進(jìn)入神經(jīng)元的“情緒”，它可以是積極的，也可以是消極的。

“神經(jīng)元利用改變接收神經(jīng)元整體電荷的電流相互交流。當(dāng)神經(jīng)元的正電荷更多時(shí)，它更有可能變得活躍，然后向其他神經(jīng)元傳遞信號(hào)。另一方面，如果電荷更多是負(fù)的，神經(jīng)元就更容易被抑制，”Fujiwara解釋說。

觀察每一步

研究小組跟蹤了神經(jīng)元的電荷，發(fā)現(xiàn)它與動(dòng)物的步伐同步，其方式是對(duì)每個(gè)動(dòng)作進(jìn)行微調(diào)的最佳方式。“當(dāng)腳在空中時(shí)，神經(jīng)元更積極，準(zhǔn)備在需要時(shí)向運(yùn)動(dòng)區(qū)發(fā)出調(diào)整指令。另一方面，當(dāng)腳在地上時(shí)，使調(diào)整成為不可能，這產(chǎn)生更多的負(fù)電荷，有效地抑制了神經(jīng)元，”Chiappe說。

保持路線

當(dāng)研究小組進(jìn)一步分析他們的結(jié)果時(shí)，他們注意到神經(jīng)元的電荷也在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間尺度上發(fā)生變化。具體來說，當(dāng)果蠅快速行走時(shí)，產(chǎn)生越來越多的正電荷。

“我們相信，這種變化有助于維持動(dòng)物的行為目標(biāo)，”Fujiwara說。“蒼蠅快速行走的時(shí)間越長(zhǎng)，它需要幫助來維持這一行動(dòng)計(jì)劃的機(jī)會(huì)就越大。因此，神經(jīng)元變得越來越‘警覺’，并準(zhǔn)備好被‘招募’用于運(yùn)動(dòng)控制。”

隨后研究人員進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)，對(duì)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了更全面的描述，并證明其直接參與了行走。但據(jù)Chiappe說，這項(xiàng)研究甚至比揭示一個(gè)新的視覺-運(yùn)動(dòng)回路更進(jìn)一步，它還為運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)機(jī)制提供了一個(gè)新的視角。

“目前關(guān)于行為如何產(chǎn)生的觀點(diǎn)是非常‘自上而下’的：大腦指揮著身體。但我們的結(jié)果提供了一個(gè)明確的例子，說明源自身體的信號(hào)如何有助于運(yùn)動(dòng)控制。雖然我們的研究結(jié)果是在果蠅動(dòng)物模型中得出的，但我們推測(cè)，類似的機(jī)制可能存在于其他生物體中。”她總結(jié)說：“在探索、導(dǎo)航和空間感知過程中，與速度有關(guān)的表征是至關(guān)重要的，這些功能是包括人類在內(nèi)的許多動(dòng)物所共有的。”