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本文研究果蝇行走行为，分析其在气味刺激下的运动统计特征，构建计算模型揭示抑制性控制作用。实验发现特定神经元群调节转弯和速度，为理解运动控制神经基础提供依据，对研究生物运动行为意义重大。
### 研究背景
在自然界中，许多动物为了寻找食物，会根据环境变化调整自身的运动模式。例如，当检测到食物气味时，它们会改变运动统计特征，在长距离扩散和局部搜索之间切换。果蝇作为一种常用的模式生物，在研究神经控制运动方面具有重要价值。近年来，虽然对果蝇行走运动的研究取得了一些进展，但运动和前运动神经回路如何调节运动的统计特征仍不明确。
研究目的
本研究旨在通过分析果蝇在气味刺激下的行走运动统计特征，构建合理的计算模型，并确定相关的神经底物，以揭示抑制性控制在调节果蝇行走运动中的作用机制。
研究方法
- 行为学实验：将果蝇置于层流风洞中，给予其有吸引力的气味刺激（10% 苹果醋），利用红外发光二极管（IR LEDs）和摄像头监测其行走行为，记录地面速度和角速度等参数，并对这些数据进行分析。
- 构建计算模型：基于已知的果蝇下行神经元（DNs）编码和生理特征，构建一个简单的运动控制计算模型。该模型包含五个类似 DNs 的单元（u1 - u5），这些单元通过相互作用来调节果蝇的运动，包括前向速度和角速度。
- 遗传学实验：结合特定的半驱动蛋白（如 VGlut AD 和不同的 DB 半驱动蛋白），生成标记特定神经元群体的果蝇品系。通过光遗传学技术激活或沉默这些神经元，观察果蝇运动行为的变化。
研究结果
- 运动统计特征变化：在气味消失后，果蝇的运动状态发生显著变化。它们倾向于更低的地面速度和更大的角速度，并且会在同一方向上持续转弯更长时间，导致角速度的自相关图变宽，而转弯频率没有明显变化。此外，在无气味刺激的试验中，果蝇的运动也存在自发变化，表现为慢速、多转弯的局部运动和快速、少转弯的广泛运动交替出现。同时，果蝇在气味刺激前的运动状态会影响其对气味的反应，例如，刺激前运动速度较慢的果蝇，在气味刺激后的奔跑距离更短，速度也更慢。
- 计算模型的验证：构建的计算模型能够很好地模拟果蝇的运动行为。增加模型中对侧抑制（Ic）的强度，可以使模型从相对直线的轨迹转变为更曲折的轨迹，类似于实验中观察到的气味消失后的搜索行为。具体表现为前向速度分布向较低值移动，角速度分布向较高值移动，角速度自相关变宽。通过数学分析发现，模型在稳定性和不稳定性边缘时最为灵活，此时调节对侧抑制可以平滑地改变轨迹的曲折度。而且，模型的动力学特性不依赖于每侧运动单元的数量。
- 神经调控机制：通过遗传学实验，发现激活标记为 SS49952（可能包含 LAL089、LAL091 和 LAL093 神经元）的神经元群体，会使果蝇产生气味消失后搜索行为的所有三个统计特征，并且可以双向调节气味消失时的角速度。另一组神经元，包括 LAL073 神经元对，能够双向调节行走速度，影响气味诱发奔跑的长度。此外，SMP092 神经元群体的激活会降低地面速度。这些结果表明，不同类型的前运动抑制可以互补且独立地调节地面速度和轨迹曲折度。
研究结论
- 本研究通过实验和模型相结合的方法，深入分析了果蝇在气味刺激下的行走运动统计特征及其神经调控机制。发现果蝇在气味消失后的搜索行为源于运动参数分布和相关性的系统性变化，而不是之前认为的转弯频率增加。
- 构建的计算模型为理解运动控制的神经基础提供了重要框架，强调了抑制性控制在调节运动统计特征中的关键作用。该模型可以进一步扩展，纳入更多现实因素，以更深入地研究运动控制的神经机制。
- 确定了多个参与调节果蝇行走运动的神经元群体，为后续研究这些神经元在运动控制中的具体作用提供了基础。同时，研究结果也为探讨不同物种间区域限制搜索的神经回路是否具有保守性提供了依据。
综上所述，本研究在果蝇行走运动控制的神经机制方面取得了重要进展，为进一步研究生物运动行为提供了新的视角和理论基础。
