一只果蝇在漂浮的3D跑步机上行走,科学家记录其大脑中的视觉神经元
一只果蝇在一个被做成漂浮的3D跑步机的小泡沫聚苯乙烯球上行走。房间完全黑暗,然而,记录苍蝇大脑中视觉神经元的电极传递着一系列神秘的神经活动,像正弦波一样起伏。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,她预感到她的团队有了一个非凡的发现。他们正在记录视觉神经元,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。
“这意味着不寻常的活动要么是人为的,这是不太可能的,要么是来自一个非视觉来源,”Chiappe回忆说。“在调查并排除干扰的可能性后,我确信:神经元忠实地跟踪着动物的脚步。”
几年后,在获得了许多新的见解后,Chiappe和她的团队现在将他们的发现发表在科学杂志上神经元:连接腿部和视觉系统以塑造行走的双向神经网络。
“我们发现的一个最显著的方面是t这个网络支持同时在两个不同的时间尺度上行走。它在快速的时间尺度上运行,以监控和纠正每一步,同时促进动物的行为目标。"
追踪神经“情绪”
“愿景和行动看似无关,但实际上紧密相关;只要在墙上选择一个点,闭着眼睛试着把手指放在上面,”Chiappe说。"尽管如此,我们对这种联系的神经基础知之甚少。”
在这项研究中,该团队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。“我们希望识别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。”该研究的第一作者Terufumi藤原解释道。
为了回答这些问题,藤原使用了一种称为全细胞膜片记录的强大技术,这种技术使他能够利用神经元的“情绪”,这种情绪可以是积极的,也可以是消极的。
“神经元通过改变接收神经元总电荷的电流相互交流。当神经元的净电荷越多,它就越有可能变得活跃,然后向其他神经元传递信号。另一方面,如果电荷越负,神经元就越受抑制。”藤原解释道。
观察每一步
研究小组跟踪了神经元的电荷,发现它以一种最适合微调每个动作的方式与动物的脚步同步。
“当脚在空中时,神经元更加积极,准备在需要时向运动区发出调整指令。另一方面,当脚在地面上时,调整是不可能的,电荷更负,有效地抑制了神经元。”Chiappe说。
保持航向
当团队进一步分析他们的结果时,他们注意到神经元的电荷也在更长的时间尺度上发生变化。具体来说,当苍蝇快速行走时,电荷变得越来越正。
“我们认为这种变异有助于维持动物的行为目标。”藤原说。“苍蝇走得越快,它需要帮助来维持这个行动计划的可能性就越大。因此,神经元变得越来越警觉,并准备好被招募来进行运动控制。”
大脑并不总是老板
随后进行了许多实验,对这个网络进行了更全面的描述,并证明了它与行走的直接联系。但根据Chiappe的说法,这项研究甚至比揭示一种新的视觉运动回路更进一步,它也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非常‘自上而下’:大脑指挥身体。但是我们的结果提供了一个清晰的例子,说明来自身体的信号是如何影响运动控制的。虽然我们的发现是在苍蝇动物模型中进行的,但我们推测类似的机制可能存在于其他生物中。”她总结道:“与速度相关的表征在探索、导航和空间感知过程中至关重要,这些功能对包括人类在内的许多动物来说都很常见。”
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