Nature：揭示果蝇机体神经元网络将简单命令转化为复杂行为背后的分子机制

理解包括人类在内的动物如何将大脑信号转化为协调运动是神经科学研究领域的一个基本问题，一般来讲，大脑能通过下行神经元（DNs，descending neurons）向身体发送运动指令，从而驱动简单的反射和复杂的行为。但是庞大的DNs数量以及其错综复杂的关联意味着在大型动物机体中对DNs进行研究具有一定的挑战性，比如，一只小鼠大约有7万个DNs，而人类大脑中DNs的数量则超过了100万个。

果蝇的神经系统相对简单，其也是一种相对更容易操作的模型，拥有大约1300个DNs，但却能完成复杂的行为，比如走路、飞行、拳击和求爱，这种简单性加上先进的遗传工具就会促使果蝇成为研究机体行为神经基础的理想选择。近日，一篇发表在国际杂志Nature上题为“Descending networks transform command signals into population motor control”的研究报告中，来自瑞士洛桑联邦理工学院等机构的科学家们通过研究揭示了果蝇机体中的下行神经元如何调节机体复杂的行为，具体而言，他们重点关注了“命令样”的DNs，其是研究人员此前研究的下行神经元亚群，其足以驱动果蝇机体的完整行为，在果蝇中这些神经元能驱动行走、躲避、产卵和部分昆虫的求爱“舞蹈”。

研究结果表明，命令样的DNs并不会单独行动，而是会招募额外的DNs网络，从而就为揭示简单的大脑命令如何产生协调行动提供新的见解。文章中，研究人员利用光遗传学技术（一种能利用光来控制神经元的技术）激活了果蝇机体中命令样DNs的特殊亚群，他们重点研究了三类DNs，其能分别驱动向前行走、触角梳理和先后行走，通过记录这些激活过程中大脑中其它DNs的活性，研究人员观察到了这些初始信号是如何招募额外的神经元的。

揭示果蝇机体神经元网络将简单命令转化为复杂行为背后的分子机制

图片来源：Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07523-9

为了进一步理解这些神经元之间的连接，研究人员分析了果蝇大脑中的连接组（connectome），其是能描述神经元之间突触连接的图谱；通过绘制这些连接图，研究人员识别出了命令样的DNs与其它DNs相互作用背后的分子机制。这种方法表明，命令样的DNs并不会单独发挥作用，而是会与其它DNs形成直接的兴奋性连接，从而就能有效创建特殊网络，从而协同作用来产生机体复杂的行为；比如，负责向前行走的DN就比那些控制触角梳理的简单行为的DNA能招募更大的DN网络，这些网络具有一定的行为特异性，而且不同的神经元簇会被不同的动作所激活。

此外，研究人员还对无头苍蝇进行了相关实验来分离这些网络的作用，结果发现，诸如向后行走等某些行为即使在没有网络的情况下也能完成，而诸如向前行走和触角梳理等更为复杂的行为则需要大脑中完整的DNs网络。本文研究为科学家们理解大脑信号转化为行动建立了一个新的框架，而不是单个神经元作为简单的指挥中心，大多数的行为可能会通过更大的网络行动来被调节，这一模型或许就能帮助设计更好的机器人控制器，甚至有助于帮助理解人类运动障碍发生的原因。

综上，本文研究结果支持一种命令样下行控制机制，在这种机制中，行为是通过越来越大的DNs网络的招募来产生的，而这些DNs网络则是通过结合多种运动子程序来组成机体行为的。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Braun, J., Hurtak, F., Wang-Chen, S. et al. Descending networks transform command signals into population motor control. Nature (2024). doi：10.1038/s41586-024-07523-9