对于线虫而言，它所吃细菌的大草坪是分散卵子的好地方，这样每个孵化的卵就可以进入营养环境。这就是为什么当蠕虫在食物贴片上快速漫游时，它有条不紊地产卵的原因。麻省理工学院的皮克尔学习与记忆研究所的神经科学家进行的一项新研究调查了这种动作协调的例子-产卵与动物的漫游有关-证明神经系统如何协调不同的行为输出。这是许多生物在日常生活中面临的挑战，尽管以不同的方式。

科学家指出，“所有动物都表现出出色的协调各种运动程序的能力，但人们对大脑中允许这种协调的机制了解得很少。”包括麻省理工学院脑部李斯特兄弟职业发展助理教授史蒂芬·弗拉维尔(Steven Flavell)在内的科学家们指出。认知科学。

Flavell实验室成员Nathan Cermak，Stephanie Yu和Rebekah Clark是6月8日发表在eLife上的这项研究的共同主要作者。

新的成像平台

为了研究动物如何协调他们的运动程序，Flavell的团队发明了一个新的显微镜平台，能够连续数小时或数天拍摄清晰，高帧率的线虫视频。在定制软件的引导下，示波器自动跟踪蠕虫，使研究人员可以收集有关每只动物行为的信息。该团队还编写了机器视觉软件，以从这些视频中自动提取有关秀丽隐杆线虫运动程序的信息-运动，进食，产卵等，从而产生了每只动物行为输出的近乎全面的图像。Flavell说，瞄准镜零件成本约为3,000美元，可以使用该团队的在线教程在一两天内进行组装。他们已经免费在线发布了该软件和系统软件。

通过使用该系统然后分析数据，Flavell的团队能够首次识别出涉及多个运动动作协调的多种线虫行为模式。Flavell说，该系统和随后的分析得出的一个见解是，经过深入研究的线虫(科学上称为线虫)比常规假设的行为状态更为鲜明。例如，研究发现，先前基于动物停留状态定义的被称为“居住”的行为状态实际上由多个不同的亚状态组成，可以使用这种新的成像方法轻松识别。

多巴胺协调的行为

但是，从分析中得出的最明显的新行为模式之一是观察到，蠕虫在食物草坪上漫游时产下的卵比在居住时蠕虫产下的卵更多。这可能使动物在营养环境中完全分散卵。先前的工作已经仔细地定义了控制该动物运动和产卵的两个马达电路。因此，基于他们的新发现，Flavell的小组决定研究蠕虫的神经系统如何将运动和产卵耦合在一起。事实证明，它依赖于神经递质多巴胺，多巴胺在包括人在内的所有动物中都丰富。

他们首先敲除各种神经递质和其他大脑调节分子的基因。其中许多候选物，例如5-羟色胺，以重要的方式影响了动物的行为，但并没有破坏漫游和产卵的这种联系。直到团队敲除生产多巴胺所需的一种名为cat-2的基因时，蠕虫才不再在漫游时增加产卵量。值得注意的是，它不会影响居家中产卵的速度，这表明没有多巴胺的蠕虫在处于其他行为状态时仍能够正常产卵。

该团队通过使用光遗传学直接控制产生多巴胺的细胞，进一步证实了多巴胺的作用。光遗传学是一种技术，该技术可使神经元的活动通过闪光来开启或关闭。在这些实验中，他们了解到，仅在动物处于漫游状态时，突然关闭多巴胺能神经元才能减少卵子的产生，但是激活这些神经元可以驱使动物开始卵子的产生，即使在卵子步伐加快的情况下也是如此。通常较低。

接下来，研究小组想知道触发这种协调反应的多巴胺在哪里出现，何时出现。他们设计了蠕虫，使它们的神经元在电活动时会发光，这是由钙离子激增提供的。从这些闪烁中，他们看到一种特殊的产生多巴胺的神经元PDE在蠕虫在食物草坪上漫游时特别活跃，并且其活动随着蠕虫的运动而波动。他们发现，蠕虫在采取促使卵生的姿势之前就达到了顶峰，但仅当蠕虫沿着细菌性食物来源爬行时才达到顶峰。值得注意的是，神经元具有一种可以感觉到蠕虫体外食物的方法-一种叫做纤毛的类似于头发的小结构。这些研究表明，PDE神经元将环境中食物的存在与蠕虫自身的运动整合在一起，从而产生一种活动模式，该活动模式实质上报告了蠕虫在其营养环境中的发展速度。该神经元以及可能还有其他神经元释放多巴胺可以将该信息传递给产卵回路，从而在行为之间进行协调。

Flavell的小组还绘制了多巴胺下游的神经回路，发现其作用是由D2多巴胺受体D2家族中的两个受体(dop-2和dop-3)介导的。另外，利用神经递质GABA的一组神经元似乎在多巴胺释放的下游起关键作用。他们假设多巴胺的作用可能是在丰富的食物和漫游行为中发出信号，以超越GABA对产卵的抑制，从而使这种行为得以继续。

最终，漫游时产卵只是实验室选择剖析的运动程序耦合的一个示例。Flavell和合著者指出，还有很多其他人。

“这项研究令我们兴奋的一件事是，借助这种新的显微镜平台，现在可以轻松轻松地同时测量该动物产生的每个主要运动程序。希望，我们可以开始考虑它作为一种动物产生的全部行为。完整，协调的场景，”他们说。

研究小组指出，最近开发的用于全脑钙成像的技术为测量包括蠕虫在内的各种动物大脑的神经元活动提供了可能性。

为了理解这些全面的神经影像数据集，重要的是要考虑它们与整个大脑的输出之间的关系：动物产生的行为输出的全部组成部分。”

国家科学基金会，美国国立卫生研究院，JPB基金会和脑与行为研究基金会对此研究提供了支持。