科學家正在繪製果蠅中樞神經系統中控制肌肉的運動迴路線圖。這個被稱為”連接體”的圖表已經讓人們了解控制腿部和翅膀運動的神經之間複雜的協調關係。

研究人員說，果蠅看似簡單，但它們的運動系統卻包含了”意想不到的複雜程度”。

科學家觀察到：”一個典型的蒼蠅運動神經元接受來自數百個突觸前運動神經元的數千個突觸。這一數字與囓齒類動物大腦皮層錐體細胞的突觸整合規模相當” 。

控制果蠅腿部和翅膀肌肉的運動神經元解剖重建圖。圖片來源：Tyler Sloan/Quorometrix Studio

發表在《自然》科學雜誌上的兩篇新論文揭示了這一領域的最新發現，加深了我們對動物中樞神經系統如何協調單一肌肉以促進各種行為的理解。

雌果蠅起飛和飛行所涉及的各種神經系統結構的解剖重建動畫。

果蠅用腿進行跳躍、行走、梳理、打鬥和求偶等多種活動。它們還能調整步態，在室內植物、牆壁、潮濕表面、天花板甚至昆蟲級跑步機等地形中穿梭。

從使蒼蠅能夠保持穩定位置的姿勢反射，到穿越障礙物或改變飛行方向，所有這些動作都源自於運動神經元的電訊號。這些訊號透過運動神經元的線狀突起來刺激肌肉。

研究人員指出，果蠅的六條腿僅由60 到70 個運動神經元管理。他們指出，在貓體內，約有600 個運動神經元為一塊小腿肌肉提供動力。只有29 個運動神經元控制果蠅翅膀的動力肌和轉向肌。相較之下，蜂鳥的胸肌由2000 個運動神經元提供。

雖然蒼蠅的運動神經元很少，但它在空中和陸地上的表現非常出色。

雌果蠅腹側神經索的解剖重建圖。圖片來源：Tyler Sloan/Quorometrix Studio

科學家解釋說，運動單元由單一運動神經元和它所能激發的肌肉纖維組成。不同的運動單元以不同的組合和順序被激活，協同實現無數的運動行為。

參與這兩項研究的科學家對前運動電路的佈線邏輯很感興趣。他們希望了解蒼蠅的神經系統是如何協調運動單元來完成各種任務的。

其中一項研究採用了自動化工具、機器學習、細胞類型註釋和電子顯微鏡技術，在一隻雌果蠅的腹側神經索中識別出了14600個神經元細胞體和大約4500萬個突觸（訊號傳遞連接點）。果蠅的腹側神經索類似脊椎動物的脊髓。科學家隨後應用深度學習，自動重建了整個雌果蠅的神經元解剖結構及其連結。

研究人員使用複雜的方法繪製了腿部和翅膀運動神經元所針對的肌肉圖譜。他們確定了雌性成體神經線連接組中哪些運動神經元與前腿和翅膀的各個肌肉相連。在此基礎上，他們繪製了一張圖譜，顯示了在起飛和飛行運動啟動過程中協調蒼蠅腿部和翅膀運動的迴路。

為了騰空而起，蒼蠅的中腿伸直以便跳躍，前腿彎曲以便起飛。這大致就像滑行中的客機在離開地面後縮回輪子，或者涉水的蒼鷺在衝向天空時收起細長的腿，使其不礙事。

科學家也發現，成年蒼蠅的一些肌肉纖維是由多個運動神經元所支配。這種情況也出現在果蠅和蝗蟲的幼蟲階段。雖然有些哺乳動物在剛出生時有多個神經纖維支配，但這些神經纖維通常在成年後就會消失。

多重神經支配可能提供更大的靈活性，並解釋為什麼昆蟲的運動神經元如此之少，四肢卻能精確運作。

科學家也研究了蒼蠅的翅膀運動系統，該系統按功能大致分為三個部分：為翅膀拍打提供動力、引導昆蟲和調整翅膀運動​​。

透過對前運動神經元連接性的研究，研究人員對兩種肢體的前運動迴路組織進行了比較。果蠅的腿和翅膀各有不同的演化和生物力學。

連結組使科學家能夠就神經迴路的功能提出新的理論，並揭穿一些錯誤的觀念。科學家提到，最近開發果蠅神經連結組的群體努力，首次為任何有肢動物繪製了突觸級佈線圖。他們希望更多的連結組將使研究人員能夠比較不同個體的神經佈線。預計重建的雄性果蠅中樞神經索可能會顯示性別之間的差異。

編譯自/ ScitechDaily