科学探索|科学家记录果蝇在3D“跑步机”上行走的过程及大脑中视觉神经元的变化科学家记录果蝇在3D“跑步机”

在一项新研究中，一只果蝇在一个被塑造成漂浮的3D“跑步机”的小泡沫塑料球上行走。房间是完全黑暗的，然而，记录苍蝇大脑中视觉神经元的电极却传递出神秘的神经活动流，像正弦波一样起伏。

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当葡萄牙Champalimaud基金会的神经科学家Eugenia Chiappe第一次看到这些结果时，她有一种预感，她的团队有了一个特殊的发现。他们从视觉神经元中进行记录，但房间是黑暗的，所以没有视觉信号可以以这种方式驱动神经元。
Chiappe回忆说：“这意味着这种不寻常的活动要么是一种伪装，这不太可能，要么是来自于非视觉来源。在对干扰的可能性进行调查和排除后，我确信：神经元在忠实地跟踪动物的步伐。”
几年后，研究人员有了许多新的见解，Chiappe和她的团队现在在科学杂志《神经元》上介绍了他们的发现：一个连接腿部和视觉系统的双向神经网络，以塑造行走。
Chiappe说：“我们发现的最显著的方面之一是，这个网络同时支持两个不同时间尺度的行走。它在一个快速的时间尺度上运行，以监测和纠正每一步，同时促进动物的行为目标。”
Chiappe说：“视觉和行动似乎不相关，但它们实际上是紧密联系的；只要在墙上选择一个点，试着闭着眼睛把手指放在上面。然而，人们对这种联系的神经基础知之甚少。”

在这项研究中，研究小组专注于一种特殊类型的视觉神经元，这种神经元已知与运动脑区相连。该研究的第一作者Terufumi Fujiwara解释说：“我们想确定这些神经元接收的信号，并了解它们是否以及如何参与运动。”
【科学探索|科学家记录果蝇在3D“跑步机”上行走的过程及大脑中视觉神经元的变化】为了回答这些问题，Fujiwara使用了一种强大的技术，即全细胞贴片记录，使他能够进入神经元的“情绪”，它可以是积极的，也可以是消极的。
“神经元利用改变接收神经元整体电荷的电流相互交流。当神经元的正电荷更多时，它更有可能变得活跃，然后向其他神经元传递信号。另一方面，如果电荷更多是负的，神经元就更容易被抑制，”Fujiwara解释说。
观察每一步
研究小组跟踪了神经元的电荷，发现它与动物的步伐同步，其方式是对每个动作进行微调的最佳方式。“当脚在空中时，神经元更积极，准备在需要时向运动区发出调整指令。另一方面，当脚在地上时，使调整成为不可能，这产生更多的负电荷，有效地抑制了神经元，”Chiappe说。
保持路线
当研究小组进一步分析他们的结果时，他们注意到神经元的电荷也在一个较长的时间尺度上发生变化。具体来说，当果蝇快速行走时，产生越来越多的正电荷。
“我们相信，这种变化有助于维持动物的行为目标，”Fujiwara说。“苍蝇快速行走的时间越长，它需要帮助来维持这一行动计划的机会就越大。因此，神经元变得越来越‘警觉’，并准备好被‘招募’用于运动控制。”
随后研究人员进行了许多实验，对该网络进行了更全面的描述，并证明其直接参与了行走。但据Chiappe说，这项研究甚至比揭示一个新的视觉-运动回路更进一步，它还为运动的神经机制提供了一个新的视角。
“目前关于行为如何产生的观点是非常‘自上而下’的：大脑指挥着身体。但我们的结果提供了一个明确的例子，说明源自身体的信号如何有助于运动控制。虽然我们的研究结果是在果蝇动物模型中得出的，但我们推测，类似的机制可能存在于其他生物体中。”她总结说：“在探索、导航和空间感知过程中，与速度有关的表征是至关重要的，这些功能是包括人类在内的许多动物所共有的。”