在一項新研究中，一隻果蠅在一個被塑造成漂浮的3D“跑步機”的小泡沫塑料球上行走。房間是完全黑暗的，然而，記錄蒼蠅大腦中視覺神經元的電極卻傳遞出神秘的神經活動流，像正弦波一樣起伏。
當葡萄牙Champalimaud基金會的神經科學家Eugenia Chiappe第一次看到這些結果時，她有一種預感，她的團隊有了一個特殊的發現。他們從視覺神經元中進行記錄，但房間是黑暗的，所以沒有視覺信號可以以這種方式驅動神經元。
Chiappe回憶說：“這意味着這種不尋常的活動要麼是一種偽裝，這不太可能，要麼是來自於非視覺來源。在對干擾的可能性進行調查和排除后，我確信：神經元在忠實地跟蹤動物的步伐。”
幾年後，研究人員有了許多新的見解，Chiappe和她的團隊現在在科學雜誌《神經元》上介紹了他們的發現：一個連接腿部和視覺系統的雙向神經網絡，以塑造行走。
Chiappe說：“我們發現的最顯著的方面之一是，這個網絡同時支持兩個不同時間尺度的行走。它在一個快速的時間尺度上運行，以監測和糾正每一步，同時促進動物的行為目標。”
Chiappe說：“視覺和行動似乎不相關，但它們實際上是緊密聯繫的；只要在牆上選擇一個點，試着閉着眼睛把手指放在上面。然而，人們對這種聯繫的神經基礎知之甚少。”
在這項研究中，研究小組專註於一種特殊類型的視覺神經元，這種神經元已知與運動腦區相連。該研究的第一作者Terufumi Fujiwara解釋說：“我們想確定這些神經元接收的信號，並了解它們是否以及如何參與運動。”
為了回答這些問題，Fujiwara使用了一種強大的技術，即全細胞貼片記錄，使他能夠進入神經元的“情緒”，它可以是積極的，也可以是消極的。
“神經元利用改變接收神經元整體電荷的電流相互交流。當神經元的正電荷更多時，它更有可能變得活躍，然後向其他神經元傳遞信號。另一方面，如果電荷更多是負的，神經元就更容易被抑制，”Fujiwara解釋說。
觀察每一步
研究小組跟蹤了神經元的電荷，發現它與動物的步伐同步，其方式是對每個動作進行微調的最佳方式。“當腳在空中時，神經元更積極，準備在需要時向運動區發出調整指令。另一方面，當腳在地上時，使調整成為不可能，這產生更多的負電荷，有效地抑制了神經元，”Chiappe說。
保持路線
當研究小組進一步分析他們的結果時，他們注意到神經元的電荷也在一個較長的時間尺度上發生變化。具體來說，當果蠅快速行走時，產生越來越多的正電荷。
“我們相信，這種變化有助於維持動物的行為目標，”Fujiwara說。“蒼蠅快速行走的時間越長，它需要幫助來維持這一行動計劃的機會就越大。因此，神經元變得越來越‘警覺’，並準備好被‘招募’用於運動控制。”
隨後研究人員進行了許多實驗，對該網絡進行了更全面的描述，並證明其直接參与了行走。但據Chiappe說，這項研究甚至比揭示一個新的視覺-運動迴路更進一步，它還為運動的神經機制提供了一個新的視角。
“目前關於行為如何產生的觀點是非常‘自上而下’的：大腦指揮着身體。但我們的結果提供了一個明確的例子，說明源自身體的信號如何有助於運動控制。雖然我們的研究結果是在果蠅動物模型中得出的，但我們推測，類似的機制可能存在於其他生物體中。”她總結說：“在探索、導航和空間感知過程中，與速度有關的表徵是至關重要的，這些功能是包括人類在內的許多動物所共有的。”