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已经解决了一个长期存在的数学难题，即昆虫飞行过程中电活动模式的出现。他们与美因茨约翰内斯古腾堡大学的同事一起，在本期《自然》杂志上报告了电突触在控制果蝇飞行方面的新功能。

为了保持它们小小的身体在空中，果蝇必须非常快速地拍打翅膀。它们使用了一种在动物王国中很普遍的技巧：它们的神经细胞跟不上翅膀的拍打。为了控制飞行肌肉，每个神经细胞只产生一个电脉冲 - 也称为动作电位 - 只有大约每二十次翅膀跳动一次。然而，这种动作电位被精确地调整为与其他神经细胞相互作用。在由几个神经细胞组成的小回路中，会产生特殊的活动模式：每个细胞定期发射脉冲，但不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，自1970年代以来就已经知道这种活动模式。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。假设神经细胞之间的抑制信使物质响应动作电位而释放，相互阻止细胞同时产生脉冲。

然而，通过数学分析，Susanne Schreiber教授的团队现在已经能够证明，当神经细胞不是化学连接而是电连接时，这种脉冲分布的活动也会发生 - 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，这种动作电位伴随着对其他输入的高度敏感性，特别是当细胞刚刚处于活动状态时。这种类型的灵敏度不是“正常”动作电位的典型特征，因此，在后一种情况下，如果细胞耦合是纯电的，则不会预期脉冲分布的活动。

柏林研究人员预测的脉冲产生类型的实验证据由美因茨的Carsten Duch教授的研究小组提供。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。他们能够证明这些操作完全按照数学模型的预测影响了飞行回路中的活动模式。此外，他们证明细胞之间的连接确实是电的，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，因为到目前为止，人们认为电耦合有助于促进神经细胞的同时活动。由电突触引起的活动模式揭示了神经系统信息处理的新原理。同样的机制不仅可以用于数千种其他昆虫物种，还可以用于人脑，其中电耦合的功能仍远未被理解。

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