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美设计微型背包 记录蜻蜓神经活动欲揭飞行之谜

http://www.kexue.com 2013-10-30 11:23:05 新浪科技  发表评论


蜻蜓背包的艺术想象图。这种电子背包可以帮助霍华德·休斯医学研究所的科学家研究蜻蜓如何飞行

  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。(任天)

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