一项发表于《eLife》的研究发现，在果蝇的理毛行为中，传统上被认为负责抑制运动的抑制性神经元实际上能够主动驱动并协调节律性肢体运动。这些“前运动”抑制性神经元通过在一组拮抗肌上交替“刹车”和“释放刹车”，诱导伸肌和屈肌的交替运动。这一发现不仅揭示了神经回路中此前未知的复杂性，也对机器人和仿生设计具有潜在启示。

作者： Sonia Fernandez, UC Santa Barbara

背景：运动控制的“黑箱”

2024年底公布的全果蝇连接组（包含139,000个神经元和约5000万个突触）为神经科学家提供了巨大的机遇。在果蝇的多种复杂行为中，理毛（清除头部、身体和足部碎屑的“清扫”动作）是一种先天性的、节律性的行为，需要拮抗肌和肢体伸展与屈曲之间的协调。

研究人员的问题是：在感觉神经元（检测灰尘）和运动神经元（指令肢体运动）之间的回路中发生了什么？这中间存在一个神经元的“黑箱”。

颠覆性发现：抑制性神经元驱动运动

传统上，当想到运动时，人们会假设激活的前运动神经元会兴奋运动神经元，从而导致运动。然而，本研究的光遗传学实验揭示了一个反直觉的结果：

抑制性前运动神经元（功能为“停止”信号）能够在不需要兴奋性信号的情况下驱动运动。

机制：交替“刹车”与“释放刹车”

这些抑制性神经元不直接兴奋肌肉，而是通过对拮抗肌对的巧妙调控产生节律性运动：

1. 对一个肌肉施加刹车（抑制）
2. 同时从拮抗肌上释放刹车（去抑制）
3. 由于这些神经元群是互连的，它们可以诱导伸肌和屈肌的交替，从而产生重复性运动

一个神经元在一组肌肉上执行“刹车一个、释放另一个”的同时，一个互补的连接神经元在同一组肌肉上做相反的操作——刹车刚才释放的，释放刚才刹车的。结果就是伸展和屈曲的交替进行。

协调功能：这些神经元的主要功能之一是协调，保留刹车和释放的顺序。如果这些抑制性神经元被持续激活或全部沉默，理毛行为都会减少。

“专家”与“通才”抑制性神经元的分工

研究还发现，果蝇神经系统通过两种类型的抑制性神经元控制每个肢体：

通才细胞可用于执行常见的运动模式，而专家细胞则允许生物体对环境变化做出反应。

研究方法与贡献

这项工作在完整果蝇连接组完成之前就已开始，是多年艰苦努力的结果。除了研究人员外，UCSD的本科生群体也做出了重要贡献——他们被训练校核电子显微镜数据集并追踪这些抑制性神经元的个体路径。手动追踪技术随着时间演变为自动重建。通过与Simpson实验室的Primoz Ravbar合作，研究团队构建了计算模型，使其能够测试这些神经回路。

未来方向

基于这项研究，未来的工作可能涉及对果蝇行为神经基础的更多探索，例如：神经系统如何实现从一个复杂任务到另一个复杂任务的转换？

“我们知道果蝇不会停止正在做的事情然后开始一个新的动作；它是连续的。这种转换是如何发生的？这是我所感兴趣的。” —— 第一作者 Durafshan Sakeena Syed

潜在应用

这些发现不仅展示了动物神经系统的复杂性，也对机器人和仿生设计具有潜在启示——理解生物体如何使用简单的抑制性机制产生复杂的节律性运动，可能为设计更高效、更灵活的运动控制系统提供新思路。

研究总结