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科学家记录果蝇在3D“跑步机”上行走的过程及大脑中视觉神经元的变化

2022-05-07 11:19:30 cnBeta.COM
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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,她有一种预感,她的团队有了一个特殊的发现。他们从视觉神经元中进行记录,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。

Chiappe回忆说:“这意味着这种不寻常的活动要么是一种伪装,这不太可能,要么是来自于非视觉来源。在对干扰的可能性进行调查和排除后,我确信:神经元在忠实地跟踪动物的步伐。”

几年后,研究人员有了许多新的见解,Chiappe和她的团队现在在科学杂志《神经元》上介绍了他们的发现:一个连接腿部和视觉系统的双向神经网络,以塑造行走。

Chiappe说:“我们发现的最显著的方面之一是,这个网络同时支持两个不同时间尺度的行走。它在一个快速的时间尺度上运行,以监测和纠正每一步,同时促进动物的行为目标。”

Chiappe说:“视觉和行动似乎不相关,但它们实际上是紧密联系的;只要在墙上选择一个点,试着闭着眼睛把手指放在上面。然而,人们对这种联系的神经基础知之甚少。”

在这项研究中,研究小组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。该研究的第一作者Terufumi Fujiwara解释说:“我们想确定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。”

为了回答这些问题,Fujiwara使用了一种强大的技术,即全细胞贴片记录,使他能够进入神经元的“情绪”,它可以是积极的,也可以是消极的。

“神经元利用改变接收神经元整体电荷的电流相互交流。当神经元的正电荷更多时,它更有可能变得活跃,然后向其他神经元传递信号。另一方面,如果电荷更多是负的,神经元就更容易被抑制,”Fujiwara解释说。

观察每一步

研究小组跟踪了神经元的电荷,发现它与动物的步伐同步,其方式是对每个动作进行微调的最佳方式。“当脚在空中时,神经元更积极,准备在需要时向运动区发出调整指令。另一方面,当脚在地上时,使调整成为不可能,这产生更多的负电荷,有效地抑制了神经元,”Chiappe说。

保持路线

当研究小组进一步分析他们的结果时,他们注意到神经元的电荷也在一个较长的时间尺度上发生变化。具体来说,当果蝇快速行走时,产生越来越多的正电荷。

“我们相信,这种变化有助于维持动物的行为目标,”Fujiwara说。“苍蝇快速行走的时间越长,它需要帮助来维持这一行动计划的机会就越大。因此,神经元变得越来越‘警觉’,并准备好被‘招募’用于运动控制。”

随后研究人员进行了许多实验,对该网络进行了更全面的描述,并证明其直接参与了行走。但据Chiappe说,这项研究甚至比揭示一个新的视觉-运动回路更进一步,它还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是非常‘自上而下’的:大脑指挥着身体。但我们的结果提供了一个明确的例子,说明源自身体的信号如何有助于运动控制。虽然我们的研究结果是在果蝇动物模型中得出的,但我们推测,类似的机制可能存在于其他生物体中。”她总结说:“在探索、导航和空间感知过程中,与速度有关的表征是至关重要的,这些功能是包括人类在内的许多动物所共有的。”

责任编辑:bH_06126

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