苍蝇释放神经元刹车延长飞行时间

对于昆虫来说，飞行是一种寻找食物、识别配偶和逃避不利条件的快捷方式。虽然肌肉提供飞行的动力，但大脑协调战略规划。对于饥饿的苍蝇来说，这可能意味着利用它们强大的嗅觉来感知食物的存在，如腐烂的香蕉，然后导航距离来达到它，这可能需要几分钟甚至一个小时或更长时间才能飞行。昆虫大脑是如何协调这次长途飞行比赛的赛程的？班加罗尔国家生物科学中心的一组科学家在果蝇中回答了这个问题。

在他们最近发表在《当代生物学》上的书中，Gaiti Hasan教授和她的合作者领导的团队描述了不同神经元群是如何连接起来使昆虫飞得更远的。一组神经元在这个回路中释放内在的刹车，让苍蝇长时间保持飞行。虽然昆虫飞行的机械和生物物理方面已经得到了很好的研究，但对其背后的神经生物学和回路却知之甚少。

实验室的研究生Steffy Manjila开始了这个项目，他首先询问了维持长时间飞行所需的神经元类型。神经元通过被称为神经递质的化学物质相互交流。一类被称为单胺的神经递质，如章鱼胺、多巴胺和血清素，是已知的昆虫飞行调节剂。特别是章鱼胺能神经元的缺失，可以使果蝇长时间不能飞行。Steffy总结了这一早期发现，并使用果蝇中可用的遗传工具来降低飞行期间大脑中章鱼胺能神经元的活动。然后，她寻找可能与这些章鱼碱神经元对话的神经元，并确定了一组产生多巴胺的神经元，这些神经元被称为原始前内侧(PAM)神经元。

为了了解PAM神经元如何调节飞行回合的持续时间，他们研究了大脑中一个叫做蘑菇体的区域。这种蘑菇状的结构就像一个购物广场——一个充满“活动”和分子信息交换的地方。它因在学习和记忆中的作用而闻名。蘑菇的复杂性在于一个神经元分支接收附近其他分支的输入。这些输入被输出神经元组合，信息被传输出蘑菇体，将复合信息向下游传播。例如，在飞行的情况下，蘑菇体可以用成熟香蕉的气味来平衡饱腹感和饥饿感，以确定苍蝇应该花费多少能量来到达香蕉。斯蒂芬发现了一种蘑菇输出神经元，其臂与PAM神经元的臂非常接近。这些输出神经元是产生GABA的细胞，GABA是一种众所周知的抑制性神经递质，它在与另一个神经元上的受体结合后会关闭。为什么飞行回路中会有神经元让其他神经元“关闭”？不是所有的神经元都是为了飞行而“开启”的吗？

“想象一下，你把车开到斜坡上，把脚踩在刹车上。如果你想轻轻地滚下坡道，你所要做的就是放松对刹车的控制。这正是我们认为可能发生在苍蝇身上的事情。静止时，-氨基丁酸能输出神经元活跃并释放-氨基丁酸。这抑制了飞行刹车压力。然而，在飞行开始后不久，多巴胺能PAM神经元主动抑制GABA神经元，从而减少GABA释放。飞行回路上的刹车现在放松了，这使得苍蝇能够保持更长的飞行圈，”哈桑博士解释道。一般来说，这种机制可能有助于苍蝇节省能量。

作者通过一些实验证实了他们的想法。利用基因技术，他们证明了PAM神经元在飞行过程中的活动。然后，他们人工“转向”多巴胺能PAM神经元，并观察到GABA输出神经元的活动被沉默。他们还让GABA能输出神经元保持“开启”，观察到这些苍蝇不能长时间飞行。最后，他们与法国第戎的桑杰萨内教授和法国第戎的勃艮第弗朗什-孔德大学的江泽龙费尔韦教授合作，证明了这种新发现的苍蝇对于饥饿的苍蝇飞行和到达潜在的食物源是必要的，但对于其他自由行为则不是必要的。

作者提出，类似的神经元串扰也可以促进哺乳动物的运动。例如，众所周知，在人类中，从称为基底神经节的大脑中心释放的GABA有助于保持静止状态。当收到适当的提示时，松开这些GABA制动器开始练习。所以，如果你曾经认为刹车只是为了阻碍运动而设计的，请再想一想。在这种生物范式中，刹车可以防止不必要的飞行活动，只有在飞行需要长时间飞行时才能释放！

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