速度控制對(duì)于動(dòng)物在各種環(huán)境條件下的適應(yīng)和生存至關(guān)重要。當(dāng)面臨各種環(huán)境挑戰(zhàn)時(shí)，合適精確的運(yùn)動(dòng)速度可以幫助動(dòng)物有效地進(jìn)行捕食和避險(xiǎn)等關(guān)鍵活動(dòng)。目前的研究發(fā)現(xiàn)，速度控制的神經(jīng)機(jī)制涉及到不同層級(jí)的神經(jīng)活動(dòng)，包括來自高位腦區(qū)的運(yùn)動(dòng)指令、脊髓水平的中央模式發(fā)生器（central pattern generator，CPG）的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行和本體感覺系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)等。然而，當(dāng)前研究對(duì)多層級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何在突觸分辨率水平發(fā)起和實(shí)現(xiàn)特定方向和速度的運(yùn)動(dòng)仍然知之甚少。
2024年7月24日，浙江大學(xué)腦科學(xué)與腦醫(yī)學(xué)學(xué)院，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第四醫(yī)院，雙腦中心龔哲峰課題組在Cell press 細(xì)胞出版社旗下期刊Current Biology以 “A two-layer neural circuit controls fast forward locomotion in Drosophila”為題發(fā)表研究論文。該論文報(bào)道了果蠅幼蟲中控制快速前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)命令神經(jīng)元AcNs，該神經(jīng)元聯(lián)合其下游具有運(yùn)動(dòng)節(jié)律活躍的CPG神經(jīng)元A01j和A02j，全局協(xié)調(diào)控制果蠅前進(jìn)運(yùn)動(dòng)方向和快速運(yùn)動(dòng)速度的神經(jīng)機(jī)制，該研究從運(yùn)動(dòng)命令到運(yùn)動(dòng)執(zhí)行層面深入闡述解析了快速前進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制的神經(jīng)機(jī)制，為理解多層級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何控制實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
果蠅幼蟲作為一種全軟體的多體節(jié)動(dòng)物，其前進(jìn)運(yùn)動(dòng)依賴于各節(jié)段肌肉的時(shí)序性收縮和舒張的傳遞。在這項(xiàng)研究中，作者通過特異性操作神經(jīng)元活性的實(shí)驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)并鑒定了一組上行長投射膽堿能神經(jīng)元AcNs (ascending cholinergic neurons)的活動(dòng)為果蠅幼蟲的快速前進(jìn)運(yùn)動(dòng)提供了充分性和必要性。進(jìn)一步在體成像實(shí)驗(yàn)證明AcNs本身缺乏運(yùn)動(dòng)節(jié)律，但其激活可以在行為和運(yùn)動(dòng)CPG神經(jīng)元的活動(dòng)層面驅(qū)動(dòng)控制快速前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。值得注意的是，通過全腦電鏡連接組重構(gòu)分析和光遺傳/鈣成像等功能調(diào)控實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)了AcNs作為快速前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的命令神經(jīng)元，可整合接受機(jī)械感覺信息輸入，其下游直接突觸支配的運(yùn)動(dòng)節(jié)律生成（rhythm-generating）CPG神經(jīng)元A01j和在響應(yīng)AcNs激活時(shí)形成從前向后抬升的活性梯度，能特異性控制蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)的向前。而另一群直接下游在的運(yùn)動(dòng)節(jié)律活躍神經(jīng)元A02j則在響應(yīng)AcNs激時(shí)表現(xiàn)出更快的體節(jié)間信號(hào)傳遞，從而造成快速的前進(jìn)蠕動(dòng)速度。該雙層神經(jīng)環(huán)路的兩條通路相互協(xié)同，共同驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)快速前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。本研究揭示了一個(gè)控制果蠅幼蟲快速前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的兩層神經(jīng)回路機(jī)制，提供了對(duì)果蠅幼蟲中樞神經(jīng)系統(tǒng)生成和執(zhí)行運(yùn)動(dòng)指令的深入理解。這些發(fā)現(xiàn)不僅有助于深入理解運(yùn)動(dòng)控制的一般性原則，也為進(jìn)一步發(fā)展仿生多體節(jié)全軟體機(jī)器人的精細(xì)運(yùn)動(dòng)控制提供了重要的理論依據(jù)。
雙層神經(jīng)環(huán)路實(shí)現(xiàn)果蠅幼蟲快速前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)機(jī)制
浙江大學(xué)腦科學(xué)與腦醫(yī)學(xué)學(xué)院博士生趙倩暉為論文的第一作者，浙江大學(xué)龔哲峰教授和劍橋大學(xué)Albert Cardona教授為本文共同通訊作者。該研究得到了英國圣安德魯斯大學(xué)李文昌教授，浙江大學(xué)求是高等研究院鄭能干教授和中國科學(xué)院生物物理所司光偉研究員等合作者的悉心指導(dǎo)和大力幫助。本研究工作受國家自然科學(xué)基金委員會(huì)交叉學(xué)部重大項(xiàng)目，國家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目，科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目和浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等資助。
浙江大學(xué)腦科學(xué)與腦醫(yī)學(xué)學(xué)院、雙腦中心龔哲峰課題組致力于研究以果蠅幼蟲為模式動(dòng)物的軟體運(yùn)動(dòng)控制的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制及其仿生，目前課題組正在招聘博士后研究人員和科研助理，誠摯歡迎優(yōu)秀青年人才加入。（歡迎和龔哲峰教授聯(lián)系，email: zfgong@zju.edu.cn）
