果蝇使用两块肌肉来控制俯仰以实现稳定飞行

昆虫的飞行可能看起来毫不费力，但与任何动物一样，如果没有复杂的神经信号和肌肉反应系统来稳定和引导它们，它们的运动就会非常不平衡。

康奈尔大学领导的一项合作结合了有针对性的神经操纵和磁扰动来确定果蝇飞行稳定系统的两个组成部分。具体来说，研究人员确定了转向肌肉系统的两个元件，负责驱动两个独立的控制信号，使昆虫能够稳定其俯仰：角位移和角速度。这一发现为每块肌肉在飞行控制中具有特定功能的组织原则提供了证据。

该小组的论文“果蝇飞行中反馈控制元件的神经肌肉体现”于12月14日发表在《科学进展》杂志上。

为了解析这个复杂的神经肌肉系统，由艺术与科学学院物理学教授、资深作者ItaiCohen领导的团队研究了经过基因改造以利用称为光遗传学的技术的果蝇，该技术安装光-特定神经元上的敏感通道。通过在飞行中发光，研究人员可以打开或关闭特定的运动神经元，从而影响神经元激活的任何肌肉的功能。

此外，每只苍蝇都有小的铁磁针粘在其胸部的背侧，这使研究人员能够通过施加磁场来干扰其飞行。这种干扰导致果蝇向前或向后倾斜——本质上是在半空中“绊倒”果蝇——并且，研究人员使用三个以每秒8,000帧的速度拍摄的高速摄像机，捕捉到了果蝇产生校正扭矩并从中恢复的努力。这种扰动。

苍蝇的稳定反射从悬臂开始，这是一种感觉器官，实际上是苍蝇第三和第四翅膀的残余物，用作一种平衡器官。haltere记录果蝇身体的旋转速度，然后通过神经回路向果蝇的12块翅膀肌肉发送快速反馈，从而控制和稳定果蝇。

研究人员使用所谓的比例积分控制器对这些反应进行建模——一种补偿反馈的控制回路，类似于汽车中的巡航控制系统。

“他们将来自感官系统的信息提供给控制器的这两个组成部分，即积分部分和比例部分，它们被加在一起，”科恩说。“这个组合信号通过机翼肌肉确定新的机翼冲程参数，该参数将提供校正空气动力扭矩，该扭矩作用于飞行体，然后作用于传感器，提供闭路。”

研究人员确定果蝇的b1和b2肌肉直接决定控制其机翼前掠角的角位移(积分项)和角速度(比例项)。

Cohen和Whitehead与一系列合作者合作，包括共同作者、神经生物学和行为学助理教授NilayYapici以及生命科学领域的Nancy和PeterMeinig家庭调查员;JesseGoldberg，神经生物学和行为学副教授;和JosephFetcho，David博士和DorothyJoslovitzMerksamer生物科学教授，都在艺术与科学学院。

Whitehead说：“重要的是了解像苍蝇这样的生物系统如何使用神经元和肌肉来实施在人类工程系统中普遍存在的控制策略。”“我们感到特别兴奋的是，我们的发现不仅是朝这个方向迈出的第一步，而且为未来更全面地探索这些神经回路的研究提供了概念证明。”

共同作者包括博士后研究员MattMeiselman;以及来自维拉诺瓦大学、加州理工学院、约翰霍普金斯大学和霍华德休斯医学院珍妮莉亚研究园区的研究人员。