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飞蛾甚至其他动物都依赖于神经尖峰的精确定时

2019-12-18 10:40:49 • 来源：

从可能在风中跳舞的花朵中提取花蜜需要大脑和肌肉之间精确的毫秒级时间。

通过捕获并分析以这种花蜜为食的鹰蛾(Manduca sexta)的翼状肌肉发送的几乎所有大脑信号，研究人员表明，在快速的神经信号尖峰序列中进行精确定时对于控制必要的飞行肌肉至关重要为飞蛾吃。

飞蛾甚至其他动物都依赖于神经尖峰的精确定时

研究表明，动作电位峰值定时的毫秒变化，而不是峰值的数量或幅度，传达了飞蛾用来协调翅膀中五个肌肉的大部分信息。对于脊椎动物中的某些特定肌肉，精确计时的重要性已为人所知，但这项新工作显示了这种联系的一般性质。

该学院邓恩家庭教授西蒙·邦伯格说：“我们能够同时记录蛾子大脑用来控制其翅膀的几乎所有信号，这为我们提供了一个前所未有的，完整的窗口，让我们了解了大脑如何进行这些敏捷而优美的动作。”佐治亚理工学院物理学系。“这些肌肉通过毫秒级的时间微妙变化来协调，而不是仅仅通过旋转旋钮来创造更多的活动。这是一个比我们预期的更为微妙的故事，并且暗示这可能更普遍地适用。”

该研究于12月16日发表在《美国国家科学院院刊》上。这项工作得到了美国国家科学基金会，埃丝特·A·约瑟夫·克林根斯坦基金会和西蒙斯基金会的支持。

鹰蛾(Manduca sexta)拍打翅膀，微小的电线将其肌肉产生的信号传输到计算机进行分析。研究表明，动作电位尖峰时间的毫秒变化会传达飞蛾用来协调翅膀中肌肉的大部分信息。图片提供：佐治亚理工学院Rob Felt

研究人员Joy Putney，Rachel Conn和Sponberg着手研究大脑如何协调诸如奔跑或飞行之类的敏捷活动，这些活动需要补偿空中干扰或地面变化。他们认为，尽管信号的大小可以解释对行为的总体控制，但编排任务的精妙之处必须来自其他地方。

在人类和其他脊椎动物中记录运动控制信号将是一项艰巨的任务，因为即使是简单的行为，也要使用许多神经元来控制许多肌肉。幸运的是，研究人员了解了鹰蛾，它们的飞行肌肉均受单个或很少的运动神经元控制。这使得研究人员可以使用穿过昆虫外骨骼的细小电线来测量相应肌肉的活动，从而研究神经信号。

普特尼和康恩确定了蛾类外骨骼内部每个翼状肌肉的位置，并了解了在何处为导线创建微小的孔(每个肌肉两个)来捕获信号。将电线插入麻醉后的飞蛾中后，研究生们用强力胶将孔封闭以将电线固定在适当的位置。与计算机系统的连接允许进行记录和分析。

普尼说：“我第一次自己做手术，花了六个小时。” “现在我可以在一个小时内完成。”

当连接到计算机时，飞蛾在观看移动的3D打印塑料花时可以在系绳上飞行。为了测量飞蛾试图追踪花朵时产生的扭矩，将悬挂的飞蛾从加速度计上悬挂下来。然后将扭矩信息与每个翼肌记录的尖峰信号相关联。

普特尼说，这项工作的重要性与信号测量的完整性有关，这使计时码对飞蛾的工作变得十分重要。

她说：“人们以前在一起记录了很多肌肉，但是我们已经证明，所有这些肌肉都在使用计时码。” “不管这些肌肉的大小及其如何附着在身体上，他们使用这些代码的方式都是一致的。”

确实，研究人员已经看到了对高等动物进行精确定时的重要性的暗示，Sponberg认为，鹰蛾的研究应鼓励更多地研究定时的作用。整个飞蛾运动程序中定时的重要性和普遍性也引发了有关神经系统通常如何产生精确且协调的运动命令的问题。

庞贝格说：“我们认为这提出了一个不能再被忽略的问题-这个时机是否可能是大脑协调运动的真正方式。” “当我们观察脊椎动物甚至是人类的特定信号时，有迹象表明这种时机可能在那里。”

该研究还可能导致有关大脑如何产生敏捷运动所需的敏捷运动控制的新研究。

Sponberg说：“现在我们知道运动控制是非常精确的，我们可以开始尝试理解大脑如何整合精确的感觉信息来进行运动控制。” “我们不仅要真正了解大脑是如何建立信号的，而且还要真正地了解肌肉的生物物理学如何实现大脑使用的精确时机。”

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