科学家设计微型背包记录蜻蜓神经活动

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科学家设计微型背包记录蜻蜓神经活动

    在美国弗吉尼亚州北部一个没有窗户的房间里，神经学家安东尼·莱昂纳多(Anthony Leonardo)正准备打开一扇门。他说：“里面有成千上万的果蝇，而我们不想让它们都飞走。”这些果蝇并不是实验对象，它们其实是作食物之用。莱昂纳多正在研究蜻蜓是如何在飞行中捕捉猎物的。为此他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。

　　莱昂纳多在霍华德·休斯医学研究所(HHMI)工作。该研究所为像他这样的科学家提供全额资助，使他们不必忙于申请赠款或指导学生。许多科学家来自大学，但莱昂纳多却是在HHMI位于弗吉尼亚州阿什本的研究机构工作。

　　果蝇和蜻蜓所在的房间被称为“蜻蜓飞行竞技场”。这是个灯火通明、温暖潮湿的地方。为了让蜻蜓以为身处炎热的夏天户外，房间的墙壁上覆盖着大幅的户外景观图片——前景是亮黄色的鲜花，背景是翠绿的树林。为数不多的几只蜻蜓停在墙壁或摄像机上，偶尔起身追逐果蝇。当摄像机打开的时候，莱昂纳多就可以记录蜻蜓的一举一动，追踪它们四片翅膀精准的协调动作。

　　动作的控制

　　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。

　　“这是一个我们经常想当然的问题。”莱昂纳多说道。在接球的时候，你是在同时做两件事：追踪你想要的东西然后抓住它。蜻蜓也是在追踪果蝇的运动，然后在同一时刻，摆正身体伸出6条腿，抓住果蝇并送到嘴里。莱昂纳多说：“我们对大脑如何整合这些感觉和运动信息几乎一无所知。”

　　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，部分是因为蜻蜓非常灵活而且优美，但主要还是因为它们相对简单。它们的大脑中神经元数量较少，意味着可以更容易地测量所发生的一切。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。想想看，要是在苍蝇的身上放个背包，难度显然大了很多。

　　在“蜻蜓飞行竞技场”楼上的实验室里，莱昂纳多展示了这些背包组装的过程。他将银线和碳纤维粘起来做成天线，再剪出一小块芯片，将它们都粘在一起。之后，这整个东西会被粘到蜻蜓的背上。

　　以往的蜻蜓背包都太过沉重；而且，尽管蜻蜓在被针刺的情况下仍能飞行，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。

　　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——位于神经髓中——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：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。”他的团队还在研究如何放置探针，让蜻蜓开始“跳舞”。

　　慢动作观察

　　仅仅通过观察蜻蜓的活动，莱昂纳多就了解到了很多蜻蜓“思考”的知识。高速摄像机的慢动作回放显示，蜻蜓和果蝇的飞行会会聚一处。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。不过，莱昂纳多想要了解的是蜻蜓的身体运作如何决定其实际运动。“就好像，如果你要从华盛顿开车前往波士顿，你不能以直线行驶，”他说，“有其他的约束条件让你不能这么做。”

　　“这真是惊人的工作，”华盛顿大学计算神经科学家阿德里亚娜·菲尔霍(Adrienne Fairhall)说，“对于少数量的神经元，我们还没有很多能够真正理解的例子。”大脑的复杂程度十分惊人，一个人类大脑拥有数十亿个神经细胞，彼此之间不断发送着信号。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。” 菲尔霍补充道。