在微型跑步机上行走的果蝇正在帮助科学家了解神经系统是如何使动物在一个不可预测和复杂的世界中移动的。
8月30日，细胞出版社的《当代生物学》杂志报道了使用这些果蝇大小的跑步机的结果。在网上的研究论文中可以看到一些苍蝇在跑步机上跑步的视频。该研究的主要作者是布兰登·g·普拉特(Brandon G. Pratt)，他是西雅图华盛顿大学医学院最近获得的生理学和生物物理学博士学位，也是美国国家科学基金会研究生研究员。
他根据华盛顿大学机械工程校友马克斯·莫尔(Max Mauer)的原型，用便宜的零件设计了这些小型机器。
普拉特和他的研究同事解释说，行走的动物，包括昆虫和人，必须识别并迅速应对脚下的意外变化。如果动物不能做到这一点，在世界上航行几乎是不可能的，而且很可能会摔倒受伤。
神经系统是如何检测这些意外事件并控制身体在运动中恢复平衡的?这个问题正在华盛顿大学生理与生物物理系的约翰·特希尔(John Tuthill)的实验室里进行探索，特希尔是那里的副教授，普拉特在那里进行博士研究。实验室同事李素仪及周永明亦参与此计划。
特希尔的实验室研究本体感觉:身体如何持续地感知其关节和运动。疾病、受伤和其他因素会干扰人和动物协调身体的能力，妨碍简单的任务，比如抓一杯水或走几英尺。
当身体在运动中失去平衡时，研究本体感觉如何控制身体是神经科学家面临的一个基本挑战。实验对本体感觉的干扰可能会抑制动物的行为，从而使研究本体感觉在行走等自然活动中的作用的努力变得混乱。
从历史上看，跑步机已经有效地重新点燃了动物神经系统受到干扰后的行走欲望。跑步机有助于深入了解无脊椎动物(没有脊椎的动物)如蟑螂和竹节虫，以及脊椎动物如啮齿动物、猫和人类的行走和跑步的神经控制。
分离式皮带跑步机有两条独立运动的皮带。研究人员用它们来研究当身体左侧的腿和右侧的腿以不同的速度移动时，腿之间的协调是如何适应的。这些跑步机在评估中风患者方面发挥了临床作用。
这两种类型的跑步机系统激发了Tuthill实验室的研究人员设计出微型版本来研究果蝇的运动。这些微小的生物是研究运动神经控制的一个很好的模型系统，因为它们有一个紧凑的、完整的神经系统。此外，一套遗传工具使科学家能够对苍蝇的神经系统进行精确和特定的操作。
Tuthill实验室的线性跑步机系统强迫苍蝇行走，并允许长期的3D跟踪。研究人员能够分析本体感觉受损和未受损的果蝇在不同速度下的行走。
在跑步机上，苍蝇以爆发力行走，它们先跑到跑步机室的前面，然后骑着皮带跑到后面。他们大约一半的时间都在走路。当皮带转动时，他们就会加速。就像人类和蟑螂一样，它们走得越快，身体的高度就越高。通过在实验中使用跑步机，研究人员获得了有史以来最快的果蝇行走速度。
研究人员指出:“他们能够超过每秒50毫米的瞬时行走速度。”
研究人员还通过基因沉默了本体感觉的神经元，并让昆虫在线性跑步机上跑步。没有这种感官反馈，果蝇的步数更少，但步子更大。令人惊讶的是，他们腿部的协调性似乎没有受到影响——也许是因为其他本体感觉神经元对协调行走更重要，或者神经系统可能已经补偿了缺乏反馈。
科学家们发现分离式跑步机对双腿间的协调性几乎没有影响。然而，当两条带子以不同的速度移动时，苍蝇中间腿的步距发生了很大的变化。研究人员认为，苍蝇在存在旋转扰动的情况下，会改变它们的步伐，继续直线行走。
研究人员解释说:“中间的腿是理想的位置，可以稳定地使苍蝇的身体围绕其质量中心转动，就像从中心划船一样。”
科学家们指出，“这些见解说明了跑步机如何填补了自由行走和拴绳准备之间的重要空白，以研究苍蝇运动的神经和行为机制。”
研究人员已经将这些微型跑步机系统的软件和硬件设计作为免费的开源软件提供给其他科学家。
该研究得到了美国国家科学基金会研究生研究奖学金2018261272、美国国立卫生研究院拨款T32 NS 99578-3、R01NS102333和U19NS104655、Searle学者奖、Klingenstein-Simons奖学金、Pew生物医学学者奖、McKnight学者奖、斯隆研究奖学金、纽约干细胞基金会和威斯康星大学创新奖的支持。Tuthill是纽约干细胞基金会罗伯逊研究员。
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希望本篇文章《小型跑步机助力昆虫步态研究》能对你有所帮助！
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