从起飞到飞行，苍蝇的神经系统线路被绘制出来

控制果蝇肌肉的中枢神经系统中的运动电路的接线图正在进行中。这个连接体，也就是所谓的接线图，已经提供了关于腿部运动的神经协调与控制翅膀的神经协调有何不同的详细信息

尽管果蝇看起来像简单的生物，但研究人员表示，它们的运动系统包含“出乎意料的复杂性”。

科学家观察到：“一个典型的果蝇运动神经元从数百个突触前运动神经元接收数千个突触。”。“这个数字与啮齿类动物皮层锥体细胞突触整合的规模相当。”

6月26日，科学杂志《自然》发表了两篇论文，发表了这一领域的一些最新发现。它们的标题是“果蝇腿和翅膀前运动控制网络的突触结构”和“雌性果蝇腹神经索的连接组重建”。

共同监督这项研究的资深科学家是西雅图华盛顿大学医学院生理学和生物物理学副教授John C.Tuthill和波士顿哈佛医学院神经病学副教授Wei-Chung Allen Lee。一个多机构的科学家小组对这些研究做出了贡献

这项研究加深了对动物中枢神经系统如何协调个体肌肉进行各种行为的理解。例如，果蝇用腿跳跃、行走、梳理毛发、打斗和求偶。它还可以调整步态，以适应室内植物、墙壁、潮湿表面、天花板甚至昆虫规模的跑步机等地形

雌性果蝇起飞和飞行过程中各种神经系统结构的解剖重建动画。这些结构于2024年6月26日进行了探索。关于腿和翅膀前运动控制的突触结构的自然论文。Tyler Sloan/Quorometrix工作室为华盛顿大学医学院John Tuthill的生理学和生物物理学实验室制作的视频。来源：Tyler Sloan/Quorometrix Studio

所有这些动作，从使苍蝇保持位置稳定的姿势反射，到穿越障碍物或改变飞行方向，都源于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传导，以刺激肌肉

研究人员指出，苍蝇的六条腿只由60到70个运动神经元管理。他们指出，在一只猫身上，大约有600个运动神经元为一块猫小腿肌肉提供能量。只有29个运动神经元控制果蝇翅膀的动力和转向肌肉。相比之下，蜂鸟的胸肌由2000个运动神经元提供能量

尽管苍蝇的运动神经元很少，但它在空中和陆地上都表现出非凡的壮举

科学家们解释说，运动单位由单个运动神经元和它可以激发的肌肉纤维组成。以不同的组合和顺序激活的各种运动单元协同实现无数的运动行为

这两项研究中的科学家对前运动电路的布线逻辑感兴趣。他们想了解苍蝇的神经系统是如何协调运动单位来完成各种任务的

其中一项研究利用自动化工具、机器学习、细胞类型注释和电子显微镜，在雌性果蝇的腹神经索中识别了14600个神经元细胞体和约4500万个突触（信号传输接头）。苍蝇的腹侧神经索与脊椎动物的脊髓相似。他们的科学家们继续应用深度学习自动重建雌性苍蝇神经元及其连接的解剖结构

然后，研究人员使用复杂的方法绘制腿部和翅膀运动神经元靶向的肌肉图。他们确定了女性成年神经索连接体中的哪些运动神经元与前腿和翅膀的单个肌肉相连。从那里，他们创建了一个电路图谱，在起飞和飞行马达启动过程中协调苍蝇的腿和翅膀的运动

为了进入空中，苍蝇的中腿伸展跳跃，前腿弯曲离开。这大致就像一架滑行的客机在离开地面后收回轮子，或者一只涉水的苍鹭在冲向天空时收起细长的腿以避开它们

作为他们工作的一部分，科学家们还发现成年苍蝇的一些肌肉纤维由几个运动神经元支配。这种情况也发生在果蝇和蝗虫的幼虫期。虽然一些哺乳动物在新生儿时有多种神经纤维支配，但这些神经纤维通常在成年后消失

多个神经支配可能提供更大的灵活性，并解释了为什么昆虫的四肢可以精确地运作，尽管运动神经元如此之少

科学家们还检查了苍蝇的翅膀马达系统，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

对运动前神经元连接的研究使研究人员能够比较两种肢体的运动前回路的组织。果蝇的腿和翅膀都有不同的进化和生物力学

更普遍地说，连接体使科学家能够产生关于神经回路如何运作的新理论，并揭穿一些错误的概念。科学家们提到，最近社区开发果蝇连接体的努力已经为任何有四肢的动物绘制出了第一张突触水平的接线图。他们希望额外的连接体将使研究人员能够比较个体之间的神经线路。雄性果蝇中枢神经索的预期重建可能揭示了性别之间的差异