新发现的神经网络使视觉和运动电路同步
一只果蝇在一个被做成浮动 3D 跑步机的小泡沫塑料球上行走。房间里一片漆黑，然而，记录苍蝇大脑中视觉神经元的电极传递着神秘的神经活动流，像正弦波一样上升和下降。
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，她预感到她的团队取得了非凡的发现。他们从视觉神经元进行记录，但房间很暗，因此没有视觉信号可以以这种方式驱动神经元。
“这意味着不寻常的活动要么是人工制品，这不太可能，要么来自非视觉来源，”Chiappe 回忆道。“在调查并排除干扰的可能性后，我确信：神经元忠实地跟踪动物的脚步。”
几年后，有了许多新的见解，Chiappe 和她的团队现在在科学杂志《神经元》上发表了他们的发现：一个连接腿和视觉系统的双向神经网络来塑造行走。
“我们的发现中最引人注目的一个方面是这个网络支持同时在两个不同的时间尺度上行走，”Chiappe 说。“它在快速的时间尺度上运行，以监控和纠正每一步，同时促进动物的行为目标。”
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当果蝇在浮动的 3D 跑步机上自由行走时，记录了果蝇大脑中视觉神经元（顶部）的电荷。跟踪腿的位置表明冲锋与苍蝇的前腿是一致的。图片来源：Terufumi Fujiwara 和 Eugenia Chiappe，Champalimaud 基金会
追踪神经“情绪”
“愿景和行动看似无关，但实际上是紧密相关的；只需在墙上选择一个点，然后闭上眼睛尝试将手指放在上面，”Chiappe 说。“不过，人们对这种联系的神经基础知之甚少。”
在这项研究中，该团队专注于一种特定类型的视觉神经元，这种神经元已知与运动大脑区域相连。“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，”该研究的第一作者 Terufumi Fujiwara 解释说。
麻省理工学院的工程师首次开发出一种技术，使他们能够对肿瘤细胞进行计数并测量循环肿瘤细胞 (CTC) 的生成率和半衰期。
为了回答这些问题，藤原使用了一种称为全细胞贴片记录的强大技术，使他能够利用神经元的“情绪”，这种情绪可以是积极的，也可以是消极的。
“神经元使用改变接收神经元总电荷的电流相互交流。当神经元的净电荷更正时，它更有可能变得活跃，然后将信号传递给其他神经元。另一方面，如果电荷越负，神经元就越受抑制，”藤原解释道。
关注每一步
该团队跟踪了神经元的电荷，并发现它与动物的步伐同步，这种方式最适合微调每个动作。
“当脚在空中时，神经元更加积极，准备好在需要时向运动区域发出调整方向。另一方面，当脚着地时，无法进行调整，电荷更负，有效地抑制了神经元，”Chiappe 说。
保持课程
当团队进一步分析他们的结果时，他们注意到神经元的电荷也在更长的时间尺度上发生变化。具体来说，当苍蝇快速行走时，电荷变得越来越正。
“我们相信这种变化有助于维持动物的行为目标，”藤原说。“苍蝇快速行走的时间越长，它需要帮助来维持这个行动计划的可能性就越大。因此，神经元变得越来越‘更加警觉’，并准备好被招募来进行运动控制。”
大脑并不总是老板
随后进行了许多实验，对网络进行了更全面的描述，并证明了它直接参与了步行。但根据 Chiappe 的说法，这项研究不仅揭示了一种新的视觉运动回路，而且还为运动的神经机制提供了新的视角。
“目前对行为如何产生的看法非常‘自上而下’：大脑指挥身体。但是我们的结果提供了一个清晰的例子，说明来自身体的信号如何有助于运动控制。尽管我们的发现是在蝇类动物模型中进行的，但我们推测其他生物体中可能存在类似的机制。与速度相关的表征在探索、导航和空间感知过程中至关重要，这些功能对于包括人类在内的许多动物都很常见，”她总结道。