发现昆虫神经网络中的电突触在控制飞行功率方面具有意想不到的作用

美因茨约翰内斯古腾堡大学 (JGU) 的实验神经生物学家团队和柏林洪堡大学的理论生物学家成功解开了困扰科学家数十年的谜团。他们已经能够确定控制昆虫飞行的昆虫神经系统电活动的性质。在最近发表在《自然》杂志上的一篇论文中，他们报告了果蝇在飞行过程中使用的电突触以前未知的功能。

果蝇Drosophila melanogaster为了向前移动，每秒拍动翅膀约 200 次。其他小昆虫每秒甚至可以拍动 1,000 次翅膀。正是这种高频率的拍翅产生了我们通常与蚊子联系在一起的恼人的高音调嗡嗡声。每只昆虫都必须以一定的频率拍打翅膀，以免“卡在”空气中，由于它们的体型较小，空气充当粘性介质。为此，他们采用了一种在昆虫界广泛使用的巧妙策略。这涉及抬高和压低翅膀的拮抗肌的相互拉伸激活​​。该系统可以高频振荡，从而产生推进所需的高速拍翼。运动神经元无法跟上翅膀的速度，因此每个神经元大约每拍 20 次翅膀就会产生一个控制翅膀肌肉的电脉冲。这些脉冲与其他神经元的活动精确协调。在调节拍翼频率的运动神经元中会产生特殊的活动模式。每个神经元以固定速率发射，但不会与其他神经元同时发射。它们中的每一个都有固定的间隔。虽然自 1970 年代以来就知道这种神经活动模式发生在果蝇中，但没有对潜在的控制机制进行解释。在调节拍翼频率的运动神经元中会产生特殊的活动模式。每个神经元以固定速率发射，但不会与其他神经元同时发射。它们中的每一个都有固定的间隔。虽然自 1970 年代以来就知道这种神经活动模式发生在果蝇中，但没有对潜在的控制机制进行解释。在调节拍翼频率的运动神经元中会产生特殊的活动模式。每个神经元以固定速率发射，但不会与其他神经元同时发射。它们中的每一个都有固定的间隔。虽然自 1970 年代以来就知道这种神经活动模式发生在果蝇中，但没有对潜在的控制机制进行解释。

神经回路调节昆虫飞行

美因茨约翰内斯古腾堡大学和柏林洪堡大学的研究人员与德国研究基金会资助的 RobustCircuit Research Unit 5289 合作，终于找到了这个难题的解决方案。“果蝇Drosophila melanogaster的翅膀运动由一个微型电路解决方案控制，该解决方案仅包含极少数神经元和突触，”JGU 生物学院的 Carsten Duch 教授解释说。这极有可能不仅仅是果蝇的情况。研究人员推测，超过 600,000 种依赖类似推进方法的已知昆虫也使用了这种神经回路。

黑腹果蝇是神经生物学领域研究的理想对象，因为它可以通过基因操作其神经回路的各个组成部分。可以打开和关闭单个突触，甚至可以直接影响单个神经元的活动，仅举两个例子。在这种情况下，研究人员结合使用这些遗传工具来测量电路中神经元的活动和电特性。因此，他们能够识别出参与飞行模式生成的所有细胞和神经回路的突触相互作用。结果，他们发现调节飞行的神经网络仅由少量神经元组成，这些神经元仅通过电突触相互通信。

中枢神经系统信息处理新概念

以前曾假设，当一个神经元发射时，飞行网络的神经元之间会释放抑制性神经递质物质，从而防止它们同时发射。通过实验和数学建模，研究人员已经能够证明，当神经活动直接受电控制而无需神经递质时，也会发生这种脉冲生成的顺序分布。然后，神经元会产生一种特殊的脉冲，并密切“倾听”彼此的声音，尤其是在它们刚刚活跃时。

数学分析预测，这对于“正常”脉冲是不可能的。因此，纯电形式的神经元之间的传输似乎不太可能导致这种有序的放电模式。为了通过实验检验这一理论假设，对网络神经元中的某些离子通道进行了操作。不出所料，飞行线路的活动模式变得同步——正如数学模型所预测的那样。这种实验操作导致飞行过程中产生的功率发生显着变化。因此很明显，由神经回路的电突触决定的活动模式的去同步化对于确保飞行肌肉能够产生一致的功率输出是必要的。

鉴于以前认为电突触的互连实际上导致神经元的同步活动，位于美因茨和柏林的团队的发现尤其令人惊讶。此处检测到的电突触产生的活动模式表明，很可能存在神经系统的信息处理形式，这些形式尚未得到解释。同样的机制可能不仅在数以千计的其他昆虫物种中发挥作用，而且在人类大脑中也发挥作用，而人类大脑中电突触的用途仍未完全了解。

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