引言
自然界中，行走是脊椎动物和节肢动物所特有的行为。除了在一侧身体离开地面后保持平衡，动物在行走时还需要对前进的速度与方向加以控制。为了完成这一精细的过程，不同肢体数量的动物采取了相似的策略：轮流使用不同侧的肢体，并有节奏地进行收腿（power stroke，通过摩擦力使身体前进）和伸腿（return stroke，肢体摆动至新位置）。位于脊椎动物的脊髓（节肢动物腹神经索）中的节奏生成器能够协调肢体运动，并接收来自大脑的下行调制信号对行走的起始、速度与方向进行调控。然而，行走过程中受到大脑调控的精细运动特征有哪些，以及这些调控如何进行，仍然是未知的。2024年9月17日，来自哈佛大学的Rachel Wilson研究组在Cell杂志在线发表了题为Fine-grained descending control of steering in walking Drosophila的研究论文，报道了果蝇下行神经元DNa02和DNg13与行走转向过程中肢体姿态之间的因果关系，表明生理状态下具有相似功能的不同通路被招募，进而完成不同类型的转向操纵（steering maneuver）。该研究揭示了果蝇大脑对于腹神经索运动神经元的精细化调控【1】。
首先，作者通过追踪果蝇前、中、后三对足在自然行走过程中的动态信息，定义出两种转向操纵：原地转动（pivot）和行走转动（swerve），以及三种肢体姿态：外侧腿步伐（stride）增大，内侧腿步伐减小，转换行走方向。与转弯前的基线相比，行走转动主要依靠外侧腿步伐增大，而原地转动则主要依靠内侧腿步伐减小。
之前的研究表明，下行神经元对于果蝇的行走转向具有重要的作用【2,3】。作者筛选出16类下行神经元：在左右脑有对称表达的一对，并与至少两条腿连接。通过监测果蝇在球形跑步机上行走时这些下行神经元的钙信号，进一步筛选出其中的5类：转向时表达在左右脑的一对神经元具有不同活动水平，并且差异大小与转向速度线性相关。数据分析表明钙信号差异发生在转向行为之前，暗示神经元活动水平调控了转向行为，而非受其影响。
接下来，作者选择了DNg13和DNa02这两类活动水平与转向速度最强相关的下行神经元进行深入研究。尽管都是同侧转向神经元（活动水平更高的一侧与转动方向一致），有趣的是，除了仅DNa02接收来自中央综合体（central complex）的输入，DNg13和DNa02的突触前输入来自相同类型但不重叠的神经元。这一结果表明DNg13和DNa02并非冗余拷贝，能够被相似但不同的通路招募。光遗传操控单侧DNa02能够双向调节同侧腿的步伐大小，激活神经元即缩短转向时内侧腿步伐；而使用全细胞膜片钳电流注射操控单侧DNg13能够双向调节对侧腿的步伐大小，神经元去极化即增大转向时外侧腿步伐。这与它们的解剖学特征保持了一致：DNa02投向同侧腹神经索而DNg13投向对侧腹神经索。
为了改善神经元活动记录的时间精度，作者使用全细胞膜片钳记录了行走中果蝇的DNg13和DNa02的发放频率。与钙成像的结果一致，这两类神经元的活动水平与果蝇同侧转向的角速度线性正相关。DNa02的发放频率与同侧步伐大小线性负相关，DNg13的发放频率与对侧步伐大小线性正相关，结合前文的光遗传和电流注射实验，这一结果进一步表明生理情况下DNa02和DNg13被招募到对肢体姿态的调节中，进而产生转向。对于发放频率和与行为标注后的深入分析还表明DNg13的发放频率调节较之DNa02更慢，这与生理状态下转向过程中外侧腿步伐变化较内侧腿更慢是一致的，表明这一特征起源于大脑而非腹神经索。并且，DNa02的发放偏好性地集中于步伐周期的某个特定区间，而DNg13则没有这种偏好性。
最终，作者结合腹神经索连接组图谱验证了大脑-腹神经索解剖结构支持DNa02和DNg13具备不同功能。有趣的是，DNa02下游还包括翅膀、平衡棒、脖子的运动神经元或运动前神经元，暗示DNa02可能还调控飞行过程中的转向运动，而DNg13则不具备这种特性。
综上所述，本文通过精细的运动追踪分析、神经活动记录及调控，揭示了果蝇大脑的下行神经元如何对行走过程中的肢体姿态进行调控从而完成不同类型的转向操纵。
图2.DNa02和DNg13参与调控的肢体姿态及本文提出的模型（Credit: Cell）参考文献
1. Yang, H. H., Brezovec, L. E., Capdevila, L. S., Vanderbeck, Q. X., Adachi, A., Mann, R. S., & Wilson, R. I. (2023). Fine-grained descending control of steering in walking Drosophila.Cell 187， 1-192. Rayshubskiy, A., Holtz, S.L., D’Alessandro, I., Li, A.A., Vanderbeck, Q.X., Haber, I.S., Gibb, P.W., and Wilson, R.I. (2020). Neural circuit mechanisms for steering control in walking Drosophila. Preprint at bioRxiv. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.04.04.024703v2.3. DeAngelis, B.D., Zavatone-Veth, J.A., and Clark, D.A. (2019). The manifold structure of limb coordination in walking Drosophila. eLife 8, e46409.https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.033
责编|探索君
排版|探索君
文章来源|“BioArt”
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