Nature：在果蝇中，一个脑细胞可以驱动身体的多种运动

来源：作者：人气：-发表时间：2024-03-22 14:17:00【大中小】

摘要：哥伦比亚大学祖克曼研究所的研究人员发现，单个运动神经元可以以比以前想象的更复杂的方式指导昆虫的身体运动。

运动神经元是大脑用来指挥肌肉活动的细胞。科学家们通常认为它们是简单的连接，就像连接电脑和配件的电缆一样。现在，在对果蝇的研究中，哥伦比亚大学祖克曼研究所的研究人员发现，单个运动神经元可以以比以前想象的更复杂的方式指导昆虫的身体运动。

研究结果发表在3月20日的《自然》杂志上。

图1 运动神经元通过本体感觉产生姿势定向运动

“这是科学家们第一次在3D中分析单个运动神经元在身体自然运动时的行为，如果不知道每个运动神经元的作用，你就无法理解大脑是如何让身体运动的，就像如果不了解木偶线的作用，你就无法理解木偶师是如何让木偶动起来的一样。”哥伦比亚祖克曼研究所的副研究科学家Stephen Huston博士说。

运动神经元是大脑控制身体动作的最后环节，从手指的轻弹到眼睛的眨眼。尽管这一关键任务，研究人员现在才开始揭示单个运动神经元在运动中所起的作用。测量运动动物的单个神经元的活动在实验上已被证明是困难的。

现在，随着实验室技术的进步，研究人员可以在果蝇自由移动时操纵果蝇的单个运动神经元。

在霍华德休斯医学研究所Janelia研究校园开始的实验中，研究人员的第一步是激活25个左右运动神经元中的光敏分子，这些神经元控制着芝麻大小的果蝇的头部运动。这使得科学家们可以用红光一次一个地打开运动神经元。与此同时，他们记录了由此产生的头部运动，并使用人工智能技术来跟踪这些运动。

“大多数神经元作为一个群体协同行动，所以当我们一次只激活一个运动神经元时，我们并不期望看到太多甚至任何头部运动”。

科学家们预计，每个运动神经元最多只能产生一个简单的动作——例如，让头部向左转10度。相反，通过后来在研究所进行的计算分析，研究人员发现，激活每个运动神经元可以使头部以各种方式旋转，有些甚至是相互相反的方向，这取决于果蝇头部的起始姿势。

图2 两个颈部运动神经元的光学和电子显微镜图像的比较

加州大学圣巴巴拉分校的博士生Benjamin Gorko是这项研究的第一作者，他说:“我真的很兴奋，我们可以如何具体地激活单个神经元来驱动这些运动。”

科学家们把这种电机控制比作一个数字恒温器，在那里，在一个理想的温度下打孔，将使房间根据当前的室温升温或降温。同样，当研究人员刺激每个运动神经元时，果蝇的头部会朝着特定于该运动神经元的姿势移动，昆虫的头部会根据其开始的姿势朝一个方向或另一个方向旋转，以达到所需的位置。

研究小组的恒温器模型表明，当大脑想要以一种特定的方式移动身体时，它不能每次都简单地刺激同一组运动神经元，并期望得到相同的结果。相反，大脑必须根据接收到的有关身体当前姿势的感觉数据，计算出激活哪些运动神经元。事实上，当科学家刺激运动神经元时，控制果蝇头部位置的感觉神经元的失活改变了果蝇的运动方式。

确定果蝇大脑在细胞水平上的作用不仅仅是一个学术练习。Huston博士说:“更好地了解运动神经元的作用可以帮助我们了解影响运动系统的疾病，比如肌萎缩性侧索硬化症，也被称为ALS或卢·格里克病。”

接下来，研究人员想要研究果蝇体内其他种类的神经元，比如视觉系统中的神经元，是如何与运动神经元相互作用来控制运动的。

参考资料

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


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