果蝇肌肉的详细线路图揭示了意想不到的复杂性

研究人员说，果蝇看似简单，但它们的运动系统却包含了"意想不到的复杂程度"。

科学家们观察到："一个典型的苍蝇运动神经元接受来自数百个突触前运动神经元的数千个突触。这一数字与啮齿类动物大脑皮层锥体细胞的突触整合规模相当"。

控制果蝇腿部和翅膀肌肉的运动神经元解剖重建图。图片来源：Tyler Sloan/Quorometrix Studio

发表在《自然》科学杂志上的两篇新论文揭示了这一领域的最新发现，加深了我们对动物中枢神经系统如何协调单个肌肉以促进各种行为的理解。

雌果蝇起飞和飞行所涉及的各种神经系统结构的解剖重建动画。

果蝇用腿进行跳跃、行走、梳理、打斗和求偶等多种活动。它们还能调整步态，在室内植物、墙壁、潮湿表面、天花板甚至昆虫级跑步机等地形中穿行。

从使苍蝇能够保持稳定位置的姿势反射，到穿越障碍物或改变飞行方向，所有这些动作都源自运动神经元的电信号。这些信号通过运动神经元的线状突起来刺激肌肉。

研究人员指出，果蝇的六条腿仅由 60 到 70 个运动神经元管理。他们指出，在猫体内，约有 600 个运动神经元为一块小腿肌肉提供动力。只有 29 个运动神经元控制着果蝇翅膀的动力肌和转向肌。相比之下，蜂鸟的胸肌由 2000 个运动神经元提供。

虽然苍蝇的运动神经元很少，但它在空中和陆地上的表现却非常出色。

雌果蝇腹侧神经索的解剖重建图。图片来源：Tyler Sloan/Quorometrix Studio

科学家们解释说，运动单元由单个运动神经元和它所能激发的肌肉纤维组成。不同的运动单元以不同的组合和顺序被激活，协同实现无数的运动行为。

参与这两项研究的科学家对前运动电路的布线逻辑很感兴趣。他们希望了解苍蝇的神经系统是如何协调运动单元来完成各种任务的。

其中一项研究采用了自动化工具、机器学习、细胞类型注释和电子显微镜技术，在一只雌果蝇的腹侧神经索中识别出了14600个神经元细胞体和大约4500万个突触（信号传递连接点）。果蝇的腹侧神经索类似于脊椎动物的脊髓。科学家们随后应用深度学习，自动重建了整个雌果蝇的神经元解剖结构及其连接。

研究人员使用复杂的方法绘制了腿部和翅膀运动神经元所针对的肌肉图谱。他们确定了雌性成体神经线连接组中哪些运动神经元与前腿和翅膀的各个肌肉相连。在此基础上，他们绘制了一张图谱，显示了在起飞和飞行运动启动过程中协调苍蝇腿部和翅膀运动的回路。

为了腾空而起，苍蝇的中腿伸直以便跳跃，前腿弯曲以便起飞。这大致就像滑行中的客机在离开地面后缩回轮子，或者涉水的苍鹭在冲向天空时收起细长的腿，使其不碍事。

科学家们还发现，成年苍蝇的一些肌肉纤维由多个运动神经元支配。这种情况也出现在果蝇和蝗虫的幼虫阶段。虽然一些哺乳动物在刚出生时有多个神经纤维支配，但这些神经纤维通常在成年后就会消失。

多重神经支配可能会提供更大的灵活性，并解释为什么昆虫的运动神经元如此之少，四肢却能精确运作。

科学家们还研究了苍蝇的翅膀运动系统，该系统按功能大致分为三个部分：为翅膀拍打提供动力、引导昆虫和调整翅膀运动。

通过对前运动神经元连接性的研究，研究人员对两种肢体的前运动回路组织进行了比较。果蝇的腿和翅膀各有不同的进化和生物力学。

连接组使科学家们能够就神经回路的功能提出新的理论，并揭穿一些错误的观念。科学家们提到，最近开发果蝇神经连接组的群体努力，首次为任何有肢动物绘制了突触级布线图。他们希望更多的连接组将使研究人员能够比较不同个体的神经布线。预计重建的雄性果蝇中枢神经索可能会揭示性别之间的差异。

编译自/ScitechDaily