发布日期： 2024年07月11日
来源：Nature
文章内容
对果蝇的研究揭示了复杂的运动神经协调，增强了我们对运动神经元功能的理解。
科学家们正在绘制果蝇控制肌肉的中枢神经系统的运动回路接线图。这张被称为连接体的图，已经为控制腿和翅膀运动的神经之间的复杂协调提供了见解。
虽然果蝇看起来很简单，但研究人员表示，它们的运动系统包含“意想不到的复杂性”。
“一个典型的果蝇运动神经元从数百个突触前运动神经元中接收数千个突触，”科学家们观察到。“这个数字与啮齿动物皮层锥体细胞的突触整合规模相当。”
发表在科学杂志《Nature》上的两篇新论文揭示了这一领域的最新发现，促进了我们对动物中枢神经系统如何协调单个肌肉以促进各种行为的理解。在雌性果蝇的起飞和飞行中涉及的各种神经系统结构的解剖重建动画。
果蝇用腿进行许多活动，如跳跃、行走、梳理毛发、战斗和求爱。它们还可以调整自己的步态来适应室内植物、墙壁、潮湿的表面、天花板等地形，甚至是昆虫大小的跑步机。
所有这些动作，从使果蝇保持稳定位置的姿势反射，到穿越障碍物或改变飞行方向，都是由运动神经元发出的电信号引起的。这些信号通过运动神经元的线状投射来刺激肌肉。
研究人员指出，果蝇的六条腿只由60到70个运动神经元控制。他们指出，在猫身上，大约有600个运动神经元供应一只猫的小腿肌肉。只有29个运动神经元控制着果蝇翅膀的动力和操纵肌肉。相比之下，蜂鸟的胸肌由2000个运动神经元提供。
虽然这种果蝇的运动神经元很少，但它在空中和陆地上都表现得很出色。
科学家们解释说，运动单元是由单个运动神经元和它可以激发的肌肉纤维组成的。不同的运动单元，以不同的组合和顺序激活，协作实现无数的运动行为。
参与这两项研究的科学家对前运动电路的布线逻辑很感兴趣。他们想了解果蝇的神经系统是如何协调运动单元来完成各种任务的。
其中一项研究使用自动化工具、机器学习、细胞类型注释和电子显微镜来识别雌性果蝇腹侧神经索中的14,600个神经元细胞体和约4,500万个突触(信号传递连接)。果蝇的腹侧神经索类似于脊椎动物的脊髓。随后，科学家们应用深度学习技术，自动重建了整个雌性果蝇的神经元解剖结构及其连接。
研究人员使用复杂的方法来绘制腿部和翅膀运动神经元所针对的肌肉。他们确定了雌性成年神经索连接组中的哪些运动神经元与前腿和翅膀的个别肌肉相连。从那里，他们创建了一个电路图谱，在起飞和飞行马达启动过程中协调果蝇的腿和翅膀运动。
为了飞到空中，果蝇的中腿伸出来跳跃，前腿弯曲起来离开。这大致就像一架滑行的客机在离开地面后收起它的轮子，或者一只涉水的苍鹭在冲向天空时收起它细长的腿，不让它们挡道。
科学家们还发现，成年果蝇的一些肌肉纤维是由几个运动神经元支配的。这也发生在果蝇和蝗虫的幼虫阶段。虽然一些哺乳动物在出生时有多个神经纤维支配，但这些神经纤维通常在成年后消失。
多种神经支配可能提供更大的灵活性，并解释了为什么昆虫的四肢可以精确地操作，尽管运动神经元如此之少。
科学家们还研究了果蝇的翅膀运动系统，该系统大致有三个部分，按功能分组:为翅膀拍动提供动力，操纵昆虫，调整翅膀运动。
对前运动神经元连通性的研究使研究人员能够比较两种肢体的前运动回路的组织。果蝇的腿和翅膀都有不同的进化和生物力学。
连接体使科学家能够提出关于神经回路如何运作的新理论，并揭穿一些错误的观念。科学家们提到，最近科学界对果蝇连接组的研究已经产生了所有有肢动物中最早的突触级接线图之一。他们希望额外的连接体可以让研究人员比较个体之间的神经连接。预期的雄性果蝇中枢神经索的重建可能会阐明两性之间的差异。
“Connectomic reconstruction of a female Drosophila ventral nerve cord” by Anthony Azevedo, Ellen Lesser, Jasper S. Phelps, Brandon Mark, Leila Elabbady, Sumiya Kuroda, Anne Sustar, Anthony Moussa, Avinash Khandelwal, Chris J. Dallmann, Sweta Agrawal, Su-Yee J. Lee, Brandon Pratt, Andrew Cook, Kyobi Skutt-Kakaria, Stephan Gerhard, Ran Lu, Nico Kemnitz, Kisuk Lee, Akhilesh Halageri, Manuel Castro, Dodam Ih, Jay Gager, Marwan Tammam, Sven Dorkenwald, Forrest Collman, Casey Schneider-Mizell, Derrick Brittain, Chris S. Jordan, Michael Dickinson, Alexandra Pacureanu, H. Sebastian Seung, Thomas Macrina, Wei-Chung Allen Lee and John C. Tuthill, 26 June 2024, Nature.
“Synaptic architecture of leg and wing premotor control networks in Drosophila” by Ellen Lesser, Anthony W. Azevedo, Jasper S. Phelps, Leila Elabbady, Andrew Cook, Durafshan Sakeena Syed, Brandon Mark, Sumiya Kuroda, Anne Sustar, Anthony Moussa, Chris J. Dallmann, Sweta Agrawal, Su-Yee J. Lee, Brandon Pratt, Kyobi Skutt-Kakaria, Stephan Gerhard, Ran Lu, Nico Kemnitz, Kisuk Lee, Akhilesh Halageri, Manuel Castro, Dodam Ih, Jay Gager, Marwan Tammam, Sven Dorkenwald, Forrest Collman, Casey Schneider-Mizell, Derrick Brittain, Chris S. Jordan, Thomas Macrina, Michael Dickinson, Wei-Chung Allen Lee and John C. Tuthill, 26 June 2024, Nature.
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