在果蝇中单个脑细胞可以驱动身体的多种运动
运动神经元是大脑用来指挥肌肉行动的细胞。科学家通常认为它们是简单的连接，就像连接计算机及其配件的电缆一样。现在，在苍蝇研究中，哥伦比亚祖克曼研究所的研究人员发现，单个运动神经元可以指导昆虫的身体以比以前想象的复杂得多的方式移动。
研究结果发表在 3 月 20 日的《自然》杂志上。
“这是科学家第一次以 3D 方式分析身体自然运动时单个运动神经元的作用，”哥伦比亚大学祖克曼研究所的副研究科学家、该研究的通讯作者Stephen Huston博士说。 “如果不知道每个运动神经元的作用，你就无法理解大脑如何使身体移动，就像如果不了解木偶弦的作用，你就无法理解木偶师如何使木偶移动一样。”
运动神经元是大脑控制身体运动(从手指的轻弹到眨眼)的最后环节。尽管有这一关键职责，但研究人员现在才开始揭示单个运动神经元在运动中发挥的作用。事实证明，测量移动动物中单个神经元的活动在实验上很困难。
现在，实验室技术的进步使研究人员能够在果蝇自由移动时操纵果蝇的单个运动神经元。
在弗吉尼亚州阿什本霍华德休斯医学研究所珍妮莉亚研究园区开始的实验中，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，这些运动神经元控制着芝麻大小的苍蝇的头部运动。这使得科学家们能够使用红光一次打开一个运动神经元。与此同时，他们记录了由此产生的头部运动，同时使用人工智能技术来跟踪这些运动。
休斯顿博士说：“大多数神经元作为一个群体一致行动，所以当我们一次只激活一个运动神经元时，我们根本没想到会看到太多甚至任何头部运动。”
科学家们最多预计每个运动神经元都被硬连线以产生一个简单的运动——例如，使头部左转 10 度。相反，通过后来在祖克曼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多种方式旋转，有些甚至彼此相反的方向，具体取决于果蝇头部的起始姿势。
“我对如何具体地激活单个神经元来驱动这些运动感到非常兴奋，”博士本杰明戈尔科说。加州大学圣巴巴拉分校分子、细胞和发育生物学系的学生，也是该研究的第一作者。
科学家们将这种电机控制比作数字恒温器，输入所需的温度将导致房间升温或降温，具体取决于当前的室温。以大致相同的方式，当研究人员刺激每个运动神经元时，苍蝇的头部会朝着该运动神经元特有的姿势移动，昆虫的头部会根据其起始姿势向一侧或另一侧旋转以达到所需的位置。
研究小组的类似恒温器的模型表明，当大脑想要以特定方式移动身体时，它不能每次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来计算要激活哪些运动神经元。事实上，当科学家刺激运动神经元时，关闭监控苍蝇头部位置的感觉神经元会改变昆虫的移动方式。
精确定位果蝇大脑在细胞水平上的作用不仅仅是一项学术活动。 “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，例如肌萎缩侧索硬化症，也称为 ALS 或卢伽雷氏病，”休斯顿博士说。
接下来，研究人员想要研究果蝇中其他类型的神经元(例如视觉系统中的神经元)如何与运动神经元相互作用以控制运动。
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