科学家设计微型背包记录蜻蜓神经活动

蜻蜓背包的艺术想象。这个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是如何飞行的。

北京时间10月29日，在弗吉尼亚北部的一间没有窗户的房间里，神经科学家安东尼·莱昂纳多正准备开门。他说:“里面有成千上万只果蝇，我们不想让它们飞走。”这些果蝇不是实验对象；它们实际上被用作食物。莱昂纳多正在研究蜻蜓如何在飞行中捕捉猎物。出于这个原因，他和他的同事正在研究一项新发明:一种可以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，这样他们就不必忙于申请资助或指导学生。许多科学家来自大学，但是列奥纳多在弗吉尼亚州阿什本的HHMI研究所工作。

苍蝇和蜻蜓所在的房间被称为“蜻蜓飞行竞技场”。这是一个灯火通明、温暖潮湿的地方。为了让蜻蜓觉得在炎热的夏天它是在户外，房间的墙壁覆盖着大的户外风景图片-前景是明亮的黄色花朵，背景是绿色的树林。几只蜻蜓停在墙上或照相机前，偶尔起来追逐果蝇。当相机打开时，列奥纳多可以记录下蜻蜓的动作，并追踪它四只翅膀的精确协调动作。

动作控制

拦截移动的物体似乎很容易。棒球场上的外场手盯着球，开始跑，然后伸出手套，啪的一声接住了球。然而，如果我们从神经细胞的层面来看这个问题，情况就复杂得多了。

"这是一个我们经常认为理所当然的问题。"莱昂纳多说。接球时，你同时做两件事:跟踪你想要的东西，然后接住它。蜻蜓也在跟踪果蝇的运动，然后同时伸直身体，伸出六条腿去抓苍蝇，并把它们送到嘴里。莱昂纳多说:“我们对大脑如何整合这些感觉和运动信息知之甚少。”

莱昂纳多选择蜻蜓而不是人类或老鼠来研究这个问题，部分原因是蜻蜓非常灵活和优雅，但主要是因为它们相对简单。他们大脑中神经元的数量很少，这意味着所发生的一切都可以更容易地被测量。就昆虫而言，蜻蜓相对较大，这也使它们更容易研究。想想看，如果你把背包放在飞行中，显然要困难得多。

在蜻蜓飞行竞技场上方的实验室里，莱昂纳多展示了组装这些背包的过程。他把银线和碳纤维粘在一起做天线，然后切下一小片，把它们粘在一起。在那之后，整件事会粘在蜻蜓的背上。

过去，蜻蜓背包太重了。此外，尽管蜻蜓仍能在针刺下飞行，但它们会停止觅食，并很快饿死。通过减小电池的体积，莱昂纳多和他的同事成功地将背包的重量减少到只有40毫克，相当于两粒大米的重量，而且体积小到足以让蜻蜓在携带时进食。

背包上还有一根细线，其末端有一个探针，可以连接位于神经骨髓中的单个蜻蜓神经元。列奥纳多说:“当蜻蜓执行灵活的拦截时，这个小背包就像一台收音机，向我们的电脑播放来自神经元的信号。”

然而，这个想法还有一个小问题:如何在不干扰蜻蜓的情况下正确插入探针。莱昂纳多说:“这就像在你的鞋子里放一块石头，然后让你跳舞。”他的团队仍在研究如何放置探针让蜻蜓“跳舞”。

慢动作观察

只有通过观察蜻蜓的活动，列奥纳多了解了很多关于蜻蜓的思考。高速摄像机的慢动作回放显示蜻蜓和果蝇的飞行将会汇合。莱昂纳多也捕获了蜻蜓。他们在蜻蜓上贴了几个反射点，并通过红外摄像机阵列记录了它飞行中的弯曲和转动过程。看起来蜻蜓在捕猎时会将苍蝇保持在视野中的相同位置，然后继续靠近。这与人们先前的猜测一致。然而，列奥纳多想知道蜻蜓的身体是如何决定其实际运动的。“就像如果你想从华盛顿开车去波士顿，你不能直线行驶，”他说。"还有其他限制阻止你这样做."

华盛顿大学的计算神经科学家阿德里亚娜·菲尔霍说:“这真是一项了不起的工作。”。“对于少数神经元来说，我们没有太多可以真正理解的例子。”大脑的复杂性令人惊讶。人脑有数十亿个神经细胞，它们不断地相互发送信号。蜻蜓背包令人印象深刻。"这是促进技术发展的一个很好的例子."菲尔霍补充道。