背着背包的蜻蜓或将促进捕猎科学的发展

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


蜻蜓是“A”级猎手,在空中捕获果蝇的成功率约为95%,这一成绩让狮子这样的顶级掠食者也相形见绌。

昆虫的高效率——加上相比任何大小的哺乳动物,其生物学更容易被破解(更少的活动部件——即神经元)——使得蜻蜓成为研究基本但仍然复杂的行为(如捕猎)的神经基础的极具吸引力的生物。

生物学家安东尼·莱昂纳多和来自Intan Technologies和杜克大学的同事们对蜻蜓很感兴趣,着手创建仪器,使研究人员能够监测蜻蜓丽蛉物种中一组神经元的活动,这些神经元似乎对引导捕猎至关重要。今年夏天,莱昂纳多在霍华德·休斯医学研究所珍妮莉亚农场研究园区的小组希望展示蜻蜓在进行复杂行为——俯冲捕猎——的过程中,大约在一秒钟的时间里,其神经系统中发生了什么。“蜻蜓在空中捕捉移动的苍蝇,”莱昂纳多说。“在这个过程中,它必须考虑一只移动的苍蝇或蚊子,并思考它的去向,它现在在哪里,它将来会在哪里,它自己的身体如何运作,以及那种目标在不断变化。”


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进行这些实验既需要追踪蜻蜓,也需要设计必要的仪器来监测假设引导昆虫在接近果蝇时的运动的16个神经元。该团队成功地为蜻蜓配备了一组小的反光球,安装在头部和翅膀上,以便在它们在昆虫版的罗马斗兽场中移动并尽情享用果蝇时追踪它们。

最困难的部分还在未来几个月,届时昆虫将配备背包,背包可以记录大脑细胞在追逐苍蝇时的信号,然后通过无线电信号将它们传输到计算机进行分析。蜻蜓重400毫克,不到回形针重量的一半,因此制造一个既不会将昆虫钉在地上,也不会彻底改变其行为的背包是一个重大挑战。

背包中遥测技术所需的最小实用电池的总重量约为蜻蜓的三分之一,并且可能会降低昆虫的捕猎热情。因此,莱昂纳多和团队设计了一款40毫克的背包,由无线电波的能量供电。通过这样做,他们可以记录来自昆虫在捕猎过程中引导它的转向神经元的信号——这种装置也应该能够监测其他神经元群。背包有细小的电线、微型传感器,连接到腹神经索,相当于蜻蜓的脊髓。背包应该能够以每秒5兆比特的速度传输关于昆虫神经元在它扑向午餐时所做的事情的信息。

如果这些测试按计划进行,这项工作将为回路如何在动态神经过程中运行提供新的见解,这些过程接收感觉信息并对其进行处理,以做出关于未来行动的决定。“我们希望我们从蜻蜓身上学到的东西将广泛适用于神经元如何普遍地解决问题,”莱昂纳多说。“这是一类广泛的计算问题,神经系统必须解决——并在某种程度上它们进化来解决。”

D蝇在工作:晚餐上桌了

Gary Stix, senior editor of mind and brain topics at 大众科学, edits and reports on emerging advances that have propelled brain science to the forefront of the biological sciences. Stix has edited or written cover stories, feature articles and news on diverse topics, ranging from what happens in the brain when a person is immersed in thought to the impact of brain implant technology that alleviates mood disorders such as depression. Before taking over the neuroscience beat, Stix, as 大众科学's special projects editor, was responsible for the magazine's annual single-topic special issues, conceiving of and producing issues on Albert Einstein, Charles Darwin, climate change and nanotechnology. One special issue he oversaw on the topic of time in all of its manifestations won a National Magazine Award. With his wife Miriam Lacob, Stix is co-author of a technology primer called Who Gives a Gigabyte? A Survival Guide for the Technologically Perplexed.

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