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2020年01月19日 星期天

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微型“背包”记录蜻蜓神经活动

  ■最新进展

  为了研究蜻蜓是如何在飞行中捕捉猎物的,美国霍华德·休斯医学研究所的神经学家安东尼·莱昂纳多和同事们正在进行一项新的发明:一个能记录蜻蜓追逐猎物时神经活动的“背包”。

  拦截一个移动的物体看起来似乎不费吹灰之力。棒球场上的外野手盯着球,开始跑动,然后伸出手套,“啪”的一声就抓到了球。然而,如果在神经细胞的水平看这个问题,情况就复杂得多。莱昂纳多说,在棒球场接球的时候,你是同时在做两件事:追踪你想要的东西然后抓住它。蜻蜓也是如此,在追踪果蝇的同时,它会摆正身体伸出6条腿,抓住果蝇并送到嘴里。他说:“目前我们对于大脑如何整合这些感觉和运动信息几乎一无所知。”因此他们所进行的研究就是要试图揭开这其中的奥妙。

  莱昂纳多之所以选择蜻蜓,而不是人类或小鼠来研究这一问题,一方面是因为蜻蜓非常灵活而且优美,但主要还是因为它们大脑中神经元数量较少,可以更容易地进行监测记录。就昆虫而言,蜻蜓算是体型较大的,这也使它们更容易进行研究。试想要是在苍蝇的身上放个背包,难度显然大了很多。

  在实验室中,莱昂纳多等人将银线和碳纤维粘起来做成天线,再剪出一小块芯片,将它们粘在一起组成微型“背包”。之后,“背包”会被粘到蜻蜓的背上。

  以往的蜻蜓“背包”都太过沉重,而且尽管蜻蜓在背负“背包”的情况下仍能飞行,但它们会停止觅食,并很快饿死。通过缩小电池的体积,莱昂纳多及其同事成功地将“背包”重量减到只有40毫克,只相当于两颗米粒的重量,而且体积也足够小,使蜻蜓在背负的同时可以进行觅食。

  此外,在“背包”上还有一条微小的线,其末端具有可以连接蜻蜓单个神经元的探针。莱昂纳多说:“当蜻蜓在进行灵活的拦截表演时,这个小‘背包’就像是收音机一样,向我们的电脑播放着来自神经元的信号。”

  不过,关于这个构想还有个小问题,那就是怎样才能将探针合理地插入,而不使蜻蜓感到困扰。莱昂纳多说:“这就像是在你的鞋子里放一块石头,然后让你跳舞一样。”他的团队还在研究如何合理放置探针,能不影响蜻蜓自由“跳舞”。

  仅仅通过观察蜻蜓的活动,莱昂纳多就了解到很多蜻蜓的特性。例如,高速摄像机的慢动作回放显示,蜻蜓和其猎物果蝇的飞行会汇聚一处。此外,莱昂纳多还对蜻蜓进行了动作捕捉。他们在蜻蜓身上粘了几个反射点,通过一个红外摄像机阵列记录了其飞行中弯曲和转弯的过程。看起来,蜻蜓在捕猎的时候,会使果蝇一直保持在视野里的相同位置,然后再不断靠近。这与人们之前推测的一致。“这真是惊人的工作。”美国华盛顿大学计算神经科学家阿德里亚娜·菲尔霍说,蜻蜓背包让人印象深刻,这是推动技术发展的一个很棒的例子。

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