速度控制對于動物在各種環(huán)境條件下的適應(yīng)和生存至關(guān)重要。當面臨各種環(huán)境挑戰(zhàn)時，合適精確的運動速度可以幫助動物有效地進行捕食和避險等關(guān)鍵活動。目前的研究發(fā)現(xiàn)，速度控制的神經(jīng)機制涉及到不同層級的神經(jīng)活動，包括來自高位腦區(qū)的運動指令、脊髓水平的中央模式發(fā)生器（central pattern generator，CPG）的運動執(zhí)行和本體感覺系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)等。然而，當前研究對多層級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何在突觸分辨率水平發(fā)起和實現(xiàn)特定方向和速度的運動仍然知之甚少。
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。該論文報道了果蠅幼蟲中控制快速前進運動的運動命令神經(jīng)元AcNs，該神經(jīng)元聯(lián)合其下游具有運動節(jié)律活躍的CPG神經(jīng)元A01j和A02j，全局協(xié)調(diào)控制果蠅前進運動方向和快速運動速度的神經(jīng)機制，該研究從運動命令到運動執(zhí)行層面深入闡述解析了快速前進運動控制的神經(jīng)機制，為理解多層級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何控制實現(xiàn)精細化的協(xié)調(diào)運動提供了重要的實驗依據(jù)。
果蠅幼蟲作為一種全軟體的多體節(jié)動物，其前進運動依賴于各節(jié)段肌肉的時序性收縮和舒張的傳遞。在這項研究中，作者通過特異性操作神經(jīng)元活性的實驗方法發(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)的活動為果蠅幼蟲的快速前進運動提供了充分性和必要性。進一步在體成像實驗證明AcNs本身缺乏運動節(jié)律，但其激活可以在行為和運動CPG神經(jīng)元的活動層面驅(qū)動控制快速前進運動。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)控實驗，研究發(fā)現(xiàn)了AcNs作為快速前進運動的命令神經(jīng)元，可整合接受機械感覺信息輸入，其下游直接突觸支配的運動節(jié)律生成（rhythm-generating）CPG神經(jīng)元A01j和在響應(yīng)AcNs激活時形成從前向后抬升的活性梯度，能特異性控制蠕動運動的向前。而另一群直接下游在的運動節(jié)律活躍神經(jīng)元A02j則在響應(yīng)AcNs激時表現(xiàn)出更快的體節(jié)間信號傳遞，從而造成快速的前進蠕動速度。該雙層神經(jīng)環(huán)路的兩條通路相互協(xié)同，共同驅(qū)動實現(xiàn)快速前進運動。本研究揭示了一個控制果蠅幼蟲快速前進運動的兩層神經(jīng)回路機制，提供了對果蠅幼蟲中樞神經(jīng)系統(tǒng)生成和執(zhí)行運動指令的深入理解。這些發(fā)現(xiàn)不僅有助于深入理解運動控制的一般性原則，也為進一步發(fā)展仿生多體節(jié)全軟體機器人的精細運動控制提供了重要的理論依據(jù)。
雙層神經(jīng)環(huán)路實現(xiàn)果蠅幼蟲快速前進運動的神經(jīng)機制
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)基金委員會交叉學(xué)部重大項目，國家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項目，科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”重大項目和浙江省重點研發(fā)計劃等資助。
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物的軟體運動控制的神經(jīng)環(huán)路機制及其仿生，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）
