指令型神經元如何控制果蠅的行走？
不管是動物或是人類，行為的選擇、啟動和控制通常依賴於從大腦發送到下游運動迴路的持續指令。而在果蠅大腦中，他們通過一個相對較小的大腦神經元群體 Descending neurons（DNs）來接收指令並傳遞給下游的運動神經元，以此完成動作。而在這群 DNs 中，又有一些較特別的神經元，這些神經元通常成對且連接到複數的下游 DNs，當我們對這些較上游的 DNs 進行少量刺激時，便能跟下了指令一樣使下游的一群 DNs 跟著產生反應，因此我們將這些特別的神經元稱為指令型神經元（Command-like neurons）。
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| 圖一（原論文 Fig1a, c）a. 指令型神經元（綠色）和下游的複數 DNs（橘色）示意圖。c. 實驗示意圖，當給予上游的指令型神經元刺激時，下游的 DNs 也將產生反應。 |
今天要介紹的團隊便針對三種指令型神經元進行更深入的探討，分別是：控制往前行走的 DNp09、負責觸角梳理的 aDN2 和控制倒退行走的 MDN。
在針對這三種指令型神經元的下游進行分析後，發現三種神經元都有十顆以上的下游 DNs，而其中又以 DNp09 的下游最多，產生的連鎖反應也最大（圖二）。
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| 圖二（原論文 Fig2g.）三種指令型神經元的 g. 下游神經數（總數） h. 下游神經數（佔比）i. 下游刺激前後反應差。 |
如果接著進行神經連接組的分析，可以發現 DNp09、aDN2 和 MDN 分別有 32、23 和 14 顆下游DNs，而這些下游 DNs 彼此之間也會互相連結形成緊密的網路，網路的緊密程度也以 DNp09 最密，aDN2次之，MDN 最為鬆散（圖三）。
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| 圖三（原論文 Fig3c, d.）DNp09、aDN2 和 MDN c. 對下游 DNs 的連結示意。d. 下游 DNs 間的互相連結。 |
在證明了上游指令型神經和下游 DNs 間的連結關係後，團隊想看去掉下游 DNs 後這些行為是否能單靠指令型神經激發？於是為了去掉腦部對 DNs 的輸入，團隊在實驗中將果蠅的頭部去除，希望能看到單純的指令型神經對運動神經元的影響（圖四）。實驗後發現，除了倒退行走能夠被 MDN 自行激發外，DNp09 和 aDN2 都無法自行激發行為（圖五）。
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| 圖四（原論文 Fig4a.）果蠅去掉頭部實驗示意圖。左，控制組。右，去掉頭部。 |
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| 圖五（原論文 Fig4b.）果蠅去頭部實驗結果。b. 實驗前後往前行走機率 c. 實驗前後觸角梳理機率 d. 實驗前後倒退行走機率 e. 控制組。 |
根據實驗結果可以產生一個假設，下游擁有越多 DNs，迴路越複雜的指令型神經，如 DNp09，越無法自行激發行為，而需要靠下游 DNs 一起合作控制。既然如此，是不是能夠反過來利用下游神經元的數量來預測指令型神經的獨立程度？答案是可以的。團隊接著又測試了幾個不同的、和上述三種指令型神經擁有差不多數量下游 DNs 的 DNs：DNa01、DNa02 和 DNb02，同時也測了幾乎沒有下游DNs 的 DNg14。而結果也如預測一般，越單純越沒有下游的 DNg14 反而能獨立激發行為。
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| 圖六（原論文 Fig5f, g.）果蠅去頭部實驗前後 f. DNb02 和 g. DNg14 的反應差異。 |
此篇論文幫我們分析並實驗了指令型神經元和下游 DNs 間相輔相成的關係，揭露大腦如何透過 DNs 去控制末端運動神經元，同時也提供了只利用下游 DNs 數量去推斷行為是否能靠指令型神經元單獨完成的方法，對針對 DNs 神經和果蠅運動的研究非常有幫助。
撰文：張寧
參考文獻
Networks of descending neurons transform command-like signals into population-based behavioral control
Jonas Braun, Femke Hurtak, Sibo Wang-Chen, Pavan Ramdya
bioRxiv 2023.09.11.557103; doi: https://doi.org/10.1101/2023.09.11.557103
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