從可能在風(fēng)中跳舞的花朵中提取花蜜需要大腦和肌肉之間精確的毫秒級(jí)時(shí)間。

通過(guò)捕獲并分析以這種花蜜為食的鷹蛾(Manduca sexta)的翼狀肌肉發(fā)送的幾乎所有大腦信號(hào)，研究人員表明，在快速的神經(jīng)信號(hào)尖峰序列中進(jìn)行精確定時(shí)對(duì)于控制必要的飛行肌肉至關(guān)重要為飛蛾吃。

研究表明，動(dòng)作電位峰值定時(shí)的毫秒變化，而不是峰值的數(shù)量或幅度，傳達(dá)了飛蛾用來(lái)協(xié)調(diào)翅膀中五個(gè)肌肉的大部分信息。對(duì)于脊椎動(dòng)物中的某些特定肌肉，精確計(jì)時(shí)的重要性已為人所知，但這項(xiàng)新工作顯示了這種聯(lián)系的一般性質(zhì)。

該學(xué)院鄧恩家庭教授西蒙·邦伯格說(shuō)：“我們能夠同時(shí)記錄蛾子大腦用來(lái)控制其翅膀的幾乎所有信號(hào)，這為我們提供了一個(gè)前所未有的，完整的窗口，讓我們了解了大腦如何進(jìn)行這些敏捷而優(yōu)美的動(dòng)作。”佐治亞理工學(xué)院物理學(xué)系。“這些肌肉通過(guò)毫秒級(jí)的時(shí)間微妙變化來(lái)協(xié)調(diào)，而不是僅僅通過(guò)旋轉(zhuǎn)旋鈕來(lái)創(chuàng)造更多的活動(dòng)。這是一個(gè)比我們預(yù)期的更為微妙的故事，并且暗示這可能更普遍地適用。”

該研究于12月16日發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上。這項(xiàng)工作得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)，埃絲特·A·約瑟夫·克林根斯坦基金會(huì)和西蒙斯基金會(huì)的支持。

鷹蛾(Manduca sexta)拍打翅膀，微小的電線將其肌肉產(chǎn)生的信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行分析。研究表明，動(dòng)作電位尖峰時(shí)間的毫秒變化會(huì)傳達(dá)飛蛾用來(lái)協(xié)調(diào)翅膀中肌肉的大部分信息。圖片提供：佐治亞理工學(xué)院Rob Felt

研究人員Joy Putney，Rachel Conn和Sponberg著手研究大腦如何協(xié)調(diào)諸如奔跑或飛行之類的敏捷活動(dòng)，這些活動(dòng)需要補(bǔ)償空中干擾或地面變化。他們認(rèn)為，盡管信號(hào)的大小可以解釋對(duì)行為的總體控制，但編排任務(wù)的精妙之處必須來(lái)自其他地方。

在人類和其他脊椎動(dòng)物中記錄運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)將是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)榧词故呛?jiǎn)單的行為，也要使用許多神經(jīng)元來(lái)控制許多肌肉。幸運(yùn)的是，研究人員了解了鷹蛾，它們的飛行肌肉均受單個(gè)或很少的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元控制。這使得研究人員可以使用穿過(guò)昆蟲(chóng)外骨骼的細(xì)小電線來(lái)測(cè)量相應(yīng)肌肉的活動(dòng)，從而研究神經(jīng)信號(hào)。

普特尼和康恩確定了蛾類外骨骼內(nèi)部每個(gè)翼狀肌肉的位置，并了解了在何處為導(dǎo)線創(chuàng)建微小的孔(每個(gè)肌肉兩個(gè))來(lái)捕獲信號(hào)。將電線插入麻醉后的飛蛾中后，研究生們用強(qiáng)力膠將孔封閉以將電線固定在適當(dāng)?shù)奈恢?。與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的連接允許進(jìn)行記錄和分析。

普尼說(shuō)：“我第一次自己做手術(shù)，花了六個(gè)小時(shí)。” “現(xiàn)在我可以在一個(gè)小時(shí)內(nèi)完成。”

當(dāng)連接到計(jì)算機(jī)時(shí)，飛蛾在觀看移動(dòng)的3D打印塑料花時(shí)可以在系繩上飛行。為了測(cè)量飛蛾試圖追蹤花朵時(shí)產(chǎn)生的扭矩，將懸掛的飛蛾從加速度計(jì)上懸掛下來(lái)。然后將扭矩信息與每個(gè)翼肌記錄的尖峰信號(hào)相關(guān)聯(lián)。

普特尼說(shuō)，這項(xiàng)工作的重要性與信號(hào)測(cè)量的完整性有關(guān)，這使計(jì)時(shí)碼對(duì)飛蛾的工作變得十分重要。

她說(shuō)：“人們以前在一起記錄了很多肌肉，但是我們已經(jīng)證明，所有這些肌肉都在使用計(jì)時(shí)碼。” “不管這些肌肉的大小及其如何附著在身體上，他們使用這些代碼的方式都是一致的。”

確實(shí)，研究人員已經(jīng)看到了對(duì)高等動(dòng)物進(jìn)行精確定時(shí)的重要性的暗示，Sponberg認(rèn)為，鷹蛾的研究應(yīng)鼓勵(lì)更多地研究定時(shí)的作用。整個(gè)飛蛾運(yùn)動(dòng)程序中定時(shí)的重要性和普遍性也引發(fā)了有關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)通常如何產(chǎn)生精確且協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)命令的問(wèn)題。

龐貝格說(shuō)：“我們認(rèn)為這提出了一個(gè)不能再被忽略的問(wèn)題-這個(gè)時(shí)機(jī)是否可能是大腦協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的真正方式。” “當(dāng)我們觀察脊椎動(dòng)物甚至是人類的特定信號(hào)時(shí)，有跡象表明這種時(shí)機(jī)可能在那里。”

該研究還可能導(dǎo)致有關(guān)大腦如何產(chǎn)生敏捷運(yùn)動(dòng)所需的敏捷運(yùn)動(dòng)控制的新研究。

Sponberg說(shuō)：“現(xiàn)在我們知道運(yùn)動(dòng)控制是非常精確的，我們可以開(kāi)始嘗試?yán)斫獯竽X如何整合精確的感覺(jué)信息來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。” “我們不僅要真正了解大腦是如何建立信號(hào)的，而且還要真正地了解肌肉的生物物理學(xué)如何實(shí)現(xiàn)大腦使用的精確時(shí)機(jī)。”