《自然》：科学家破译了大脑停止的机制

有没有想过你能阻止厨房柜台上的果蝇?马克斯·普朗克佛罗里达神经科学研究所的科学家们创造了一种能在红光下停下来的果蝇。在此过程中，他们发现了与停止有关的精确神经机制。他们的研究结果发表在本周的《自然》杂志上，其意义远远超出了控制果蝇的行为。它们展示了大脑如何根据环境背景调动不同的神经机制。

果蝇理解复杂行为的能力

停顿是几乎所有动物行为中必不可少的关键动作。在觅食时，当动物发现有食物可吃时，必须停下来;当脏了，它必须停下来梳理自己。停下来的能力，虽然看起来很简单，但并没有被很好地理解，因为它涉及到与行走等竞争行为的复杂相互作用。

马克斯·普朗克佛罗里达科学家萨利尔·比达耶博士是一位专家，他利用强大的研究模型果蝇来了解神经回路活动如何导致精确而复杂的行为，如在环境中导航。比达耶博士和他的团队之前已经确定了对向前、向后和转身运动至关重要的神经元，现在他们转向了停止。

“在世界上有目的的运动依赖于在正确的时间停下来，就像走路一样。它是进食、交配和避免伤害等重要行为的核心。我们感兴趣的是了解大脑是如何控制停顿的，以及停顿信号在哪里取代了行走信号。”

这一团队利用果蝇的力量作为研究模型，包括动物的神经系统简化，寿命短，后代数量多，使用基因筛选来识别启动停止的神经元。研究人员利用光遗传学通过发出红光来激活特定的神经元，然后打开一小组神经元，看看是什么导致自由行走的果蝇停止行走。 

两种停止机制

三种独特的神经元类型，毛地黄、风铃和刹车，在被激活时导致果蝇停止。通过仔细和精确的分析，科学家们确定果蝇的停止机制取决于哪个神经元是活跃的。毛地黄和蓝铃草神经元分别抑制向前行走和转弯，而制动神经元覆盖所有行走命令并增强腿部关节阻力。

“我们的研究团队的各种专业知识对于分析精确的停止机制至关重要。每个团队成员都通过不同的方法来解决问题，包括腿部运动分析、神经活动成像和计算建模，为我们的理解做出了贡献，此外，跨越多个实验室和国家的大型研究合作最近绘制了果蝇大脑和神经索中所有神经元之间的联系。这些接线图指导了我们的实验和对神经回路和停止机制的理解。”

该研究小组由来自佛罗里达马克斯普朗克、佛罗里达大西洋大学、剑桥大学、加州大学伯克利分校和MRC分子生物学实验室的科学家组成，他们将接线图的数据和这些多种方法结合起来，全面了解了导致果蝇停止的行为、肌肉和神经元机制。他们发现，激活这些不同的神经元并没有以同样的方式阻止果蝇，而是使用了独特的机制，他们将其命名为“走开”和“刹车”。

顾名思义，“走开”机制的工作原理是关闭驱动走路的神经元，类似于把脚从汽车的油门踏板上移开。毛地黄和蓝铃草神经元使用的这种机制，依靠抑制性神经递质GABA来抑制大脑中诱导行走的神经元。

另一方面，“刹车”机制由神经索中的兴奋性胆碱能刹车神经元所使用，通过增加腿部关节的阻力和提供姿势稳定性来主动防止踩。这种机制类似于踩刹车，主动阻止车轮转动。就像你把脚从油门上移开踩刹车一样，“刹车”机制除了防止踩踏外，还会抑制促进行走的神经元。

该项目的首席研究员Neha Sapkal描述了团队发现“刹车”机制时的兴奋之情。“虽然‘走开’机制类似于在其他动物模型中发现的停止机制，但‘刹车’机制是全新的，并且在果蝇中引起了如此强大的停止。”我们立即对了解果蝇如何以及何时使用这些不同的机制感兴趣。” 

暂停机制的上下文特定激活

为了确定果蝇何时会使用“走开”和“刹车”机制，研究小组再次采用了多种方法，包括基于果蝇神经系统接线图的预测建模，记录果蝇停止神经元的活动，以及在不同行为场景下破坏机制。

他们的研究结果表明，这两种机制在不同的行为背景下相互排斥，并被相关的环境线索激活。“Walk-OFF”机制是在进食的情况下进行的，由糖感神经元激活。另一方面，“刹车”机制是在梳理过程中使用的，预计会被来自果蝇鬃毛的感官信息激活。

在梳理毛发的过程中，果蝇必须抬起几条腿并保持平衡。制动机制通过关节的主动阻力和站立腿的姿势稳定性来提供这种稳定性。事实上，当科学家们破坏“刹车”机制时，果蝇在梳理毛发的过程中经常会摔倒。

“果蝇的大脑提供了关于上下文信息如何参与特定行为机制的见解，例如停止。”Bidaye说:“我们希望了解这些机制将使我们能够在其他动物中识别出类似的特定环境过程。在人类中，当我们停下来抬起脚来调整鞋子或从脚下移开一块石头时，我们很可能利用了一种类似于刹车机制的稳定机制。理解上下文特定的神经回路以及它们如何与其他感觉和运动回路协同工作是理解复杂行为的关键。”