苍蝇释放神经元制动器以延长飞行时间

虽然对昆虫飞行的机械和生物物理方面进行了充分研究，但其背后的神经生物学和电路仍然知之甚少。对于昆虫而言，虽然肌肉提供飞行的力量，但大脑协调战略规划。在饥饿的苍蝇的情况下，这可能意味着使用其强大的嗅觉来感知食物，例如腐烂的香蕉，然后导航到达它的距离，这可能需要飞行几分钟甚至一小时或更长时间。昆虫大脑如何协调这种长途飞行比赛的时间安排?班加罗尔国家生物科学中心的一组科学家在果蝇Drosophila melanogaster中回答了这个问题。

在他们最近发表在当代生物学的着作中，由Gaiti Hasan教授和她的合作者领导的团队描述了不同神经元群体如何连接以使昆虫飞行更长时间。一组神经元在该回路中释放固有制动器，允许苍蝇长时间保持飞行。

实验室研究生Steffy Manjila首先询问维持长途飞行所需的神经元类型，从而开始了这个项目。神经元与称为神经递质的化学物质相互交谈。一类称为单胺的神经递质，包括章鱼胺，多巴胺和5-羟色胺，已知的昆虫飞行调节剂。特别是，章鱼胺能神经元的丧失可以防止果蝇长时间飞行。Steffy概括了这一早期发现，并使用了果蝇中可用的遗传工具来缩小飞行中大脑中的章鱼胺能神经元的活跃程度。然后，她寻找可能与这些章鱼胺神经元交谈的神经元，并确定了一簇产生多巴胺的神经元，称为原发性大脑前内侧(PAM)神经元。

为了理解PAM神经元如何调节飞行回合持续时间，他们调查了大脑中称为蘑菇体的区域。这种蘑菇形结构就像一个购物广场 - 一个充满活动和不断交换分子信息的地方。它以学习和记忆的作用而闻名。蘑菇体的复杂性来自一种模式，其中一个神经元分支从其附近的多个其他分支接收输入。这些输入由输出神经元合并，输出神经元将信息传递出蘑菇体以向下游传播复合信息。

例如，在飞行的情况下，蘑菇体可以平衡饱腹感和饥饿感与成熟香蕉的气味，以决定苍蝇应该花多少能量到达香蕉。Steffy确定了一类蘑菇体输出神经元，其臂与飞行调节PAM神经元的臂非常接近。这些输出神经元产生GABA，一种众所周知的抑制性神经递质，在与另一神经元上的受体结合后，会将其关闭。为什么飞行电路会有神经元关闭其他神经元?是不是所有的神经元都不能开启飞行?

“想象一下，将你的车开到斜坡上，脚踩刹车。如果你想轻轻地滚下坡道，你所要做的就是放松你对刹车的控制。这正是我们认为苍蝇可能会发生的事情。静息时，GABAergic输出神经元活跃并释放GABA。这抑制了飞行制动器的压迫。然而，在飞行开始后不久，多巴胺能PAM神经元主动抑制GABA能神经元，从而减少GABA释放。现在飞行电路上的制动器哈桑博士解释说：“这让苍蝇能够维持更长时间的飞行。” 总的来说，这种机制可能有助于苍蝇节约能源。

作者通过一些实验证实了他们的想法。使用遗传技巧，他们在飞行过程中证明了PAM神经元的活动。然后他们人工打开多巴胺能PAM神经元，并观察到GABA能输出神经元的活动被沉默。它们还使GABAergic输出神经元持续激活，并观察到这些苍蝇不能长时间飞行。最后，通过与NCBS的Sanjay Sane教授和法国第戎Bourgogne Franche-Comté大学Jean-Francois Ferveur教授的实验室合作，他们证明了这条新发现的电路是饥饿的苍蝇飞行和到达的必要条件。其他潜在的食物来源，但不需要其他自由行为。

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脑中心释放的GABA有助于维持静止状态。当收到适当的提示时，释放这些GABA制动器以启动运动。因此，如果您认为制动器的设计只是为了阻止运动，请再想一想。在这种生物学范例中，制动器可以防止不必要的飞行活动，并且只有在飞行需要进行长途飞行时才会减轻。