脑科学与脑医学学院龚哲峰团队CurrentBiology发文揭示双层神经环路实现全软体动物的快速前进运动控制的神经机制

速度控制对于动物在各种环境条件下的适应和生存至关重要。当面临各种环境挑战时，合适精确的运动速度可以帮助动物有效地进行捕食和避险等关键活动。目前的研究发现，速度控制的神经机制涉及到不同层级的神经活动，包括来自高位脑区的运动指令、脊髓水平的中央模式发生器（central pattern generator，CPG）的运动执行和本体感觉系统的反馈调节等。然而，当前研究对多层级神经网络如何在突触分辨率水平发起和实现特定方向和速度的运动仍然知之甚少。

2024年7月24日，浙江大学脑科学与脑医学学院，浙江大学医学院附属第四医院，双脑中心龚哲峰课题组在Cell press 细胞出版社旗下期刊Current Biology以 “A two-layer neural circuit controls fast forward locomotion in Drosophila”为题发表研究论文。该论文报道了果蝇幼虫中控制快速前进运动的运动命令神经元AcNs，该神经元联合其下游具有运动节律活跃的CPG神经元A01j和A02j，全局协调控制果蝇前进运动方向和快速运动速度的神经机制，该研究从运动命令到运动执行层面深入阐述解析了快速前进运动控制的神经机制，为理解多层级神经网络如何控制实现精细化的协调运动提供了重要的实验依据。

果蝇幼虫作为一种全软体的多体节动物，其前进运动依赖于各节段肌肉的时序性收缩和舒张的传递。在这项研究中，作者通过特异性操作神经元活性的实验方法发现并鉴定了一组上行长投射胆碱能神经元AcNs (ascending cholinergic neurons)的活动为果蝇幼虫的快速前进运动提供了充分性和必要性。进一步在体成像实验证明AcNs本身缺乏运动节律，但其激活可以在行为和运动CPG神经元的活动层面驱动控制快速前进运动。值得注意的是，通过全脑电镜连接组重构分析和光遗传/钙成像等功能调控实验，研究发现了AcNs作为快速前进运动的命令神经元，可整合接受机械感觉信息输入，其下游直接突触支配的运动节律生成（rhythm-generating）CPG神经元A01j和在响应AcNs激活时形成从前向后抬升的活性梯度，能特异性控制蠕动运动的向前。而另一群直接下游在的运动节律活跃神经元A02j则在响应AcNs激时表现出更快的体节间信号传递，从而造成快速的前进蠕动速度。该双层神经环路的两条通路相互协同，共同驱动实现快速前进运动。本研究揭示了一个控制果蝇幼虫快速前进运动的两层神经回路机制，提供了对果蝇幼虫中枢神经系统生成和执行运动指令的深入理解。这些发现不仅有助于深入理解运动控制的一般性原则，也为进一步发展仿生多体节全软体机器人的精细运动控制提供了重要的理论依据。

双层神经环路实现果蝇幼虫快速前进运动的神经机制

浙江大学脑科学与脑医学学院博士生赵倩晖为论文的第一作者，浙江大学龚哲峰教授和剑桥大学Albert Cardona教授为本文共同通讯作者。该研究得到了英国圣安德鲁斯大学李文昌教授，浙江大学求是高等研究院郑能干教授和中国科学院生物物理所司光伟研究员等合作者的悉心指导和大力帮助。本研究工作受国家自然科学基金委员会交叉学部重大项目，国家自然科学基金基础科学中心项目，科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目和浙江省重点研发计划等资助。

浙江大学脑科学与脑医学学院、双脑中心龚哲峰课题组致力于研究以果蝇幼虫为模式动物的软体运动控制的神经环路机制及其仿生，目前课题组正在招聘博士后研究人员和科研助理，诚挚欢迎优秀青年人才加入。（欢迎和龚哲峰教授联系，email: zfgong@zju.edu.cn）

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cub.2024.06.060

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