理论生物学家发现果蝇飞行控制的新机制

洪堡大学理论生物学研究所的研究人员解决了一个长期存在的关于昆虫飞行过程中电活动模式出现的数学难题。他们与美因茨约翰内斯古腾堡大学的同事一起，在最新一期的《自然》杂志上报告了电突触在控制果蝇飞行方面的新功能。

为了让它们的小身体保持在空中，果蝇必须极快地拍打翅膀。它们使用了一种在动物界广为流传的技巧：它们的神经细胞跟不上它们拍打翅膀的速度。为了控制飞行肌肉，每个神经细胞只在每二十次翅膀拍打时产生一个电脉冲——也称为动作电位。然而，这种动作电位经过精确调整以与其他神经细胞相互作用。在一个由几个神经细胞组成的小电路中，会产生特殊的活动模式：每个细胞有规律地发射脉冲，但不是与其他细胞同时发射，而是以相对于彼此的固定间隔异步分布。

在果蝇中，这种活动模式自1970年代就已为人所知。到目前为止，它们的出现归因于神经细胞通过化学突触的连接。据推测，神经细胞之间的抑制性信使物质会响应动作电位而释放，从而相互阻止细胞同时产生脉冲。

然而，使用数学分析，SusanneSchreiber教授的团队现在已经能够表明，当神经细胞不是化学连接而是电连接时，也可以发生这种脉冲分布的活动——也就是说，不使用信使物质。在这种情况下，细胞必须使用一种特殊的动作电位，这种动作电位对来自其他细胞的输入具有高度敏感性，尤其是当细胞刚刚活跃时。这种类型的敏感性不是典型的“正常”动作电位，因此，在后一种情况下，如果细胞耦合是纯电的，则预计不会出现脉冲分布活动。

柏林研究人员预测的脉冲生成类型的实验证据由CarstenDuch教授在美因茨的研究小组提供。科学家们加强或削弱了果蝇细胞中的某些离子电流，以改变产生的动作电位的类型。他们能够表明，这些操作对飞行回路中的活动模式的影响与数学模型预测的完全一样。此外，他们证明细胞之间的连接确实是电连接，并且敲除这种耦合对动物的活动模式和翅膀拍打具有预期的影响。

柏林和美因茨团队的发现尤其令人惊讶，因为迄今为止，人们一直认为电耦合有助于促进神经细胞的同步活动。电突触产生的活动模式揭示了神经系统信息处理的新原则。同样的机制不仅可以用于数以千计的其他昆虫物种，也可以用于人类大脑，其中电耦合的功能仍远未被理解。