昆虫如何控制翅膀：昆虫飞行的神秘机制

我们中的许多人都喜欢飞行的超级大国，这是有充分理由的：飞行提供了至关重要的进化优势。飞行使动物能够快速长途跋涉，寻找食物和新的栖息地，同时消耗的能量比步行少得多。通过飞行，昆虫在地球上定居，并通过充当有效的传粉者来促进开花植物的大规模多样化。它们还通过提供充足的食物供应，使爬行动物、鸟类和哺乳动物等其他生物得以进化。

在地球生命史上，飞行已经进化了四次：鸟类、蝙蝠、翼龙和昆虫。前三组动物的翅膀是从手臂进化而来的，这使得这些翅膀很容易理解，因为其他类似的动物具有类似的骨骼和肌肉组织。然而，昆虫的翅膀没有肌肉或神经。相反，它们由位于身体内部的肌肉控制，这些肌肉在机翼底部的复杂铰链内操作一个类似木偶的滑轮系统。

“飞翼铰链可能是生命史上最神秘和最被低估的结构，”加州理工学院生物工程和航空学教授、生物学和生物工程执行官迈克尔·迪金森说。“如果昆虫没有进化出这种非常不可能的关节来拍打翅膀，世界将是一个非常不同的地方，没有开花植物和熟悉的生物，如鸟类、蝙蝠——可能还有人类。

昆虫如何控制果蝇 果 蝇中这种微小而复杂的结构是Dickinson及其同事的一项新研究的主题。迪金森的实验室使用高速摄像机和机器学习，收集了数以万计的飞行翼拍数据，并创建了一张地图，展示了飞行肌肉如何操纵机翼铰链的运动，以创建敏捷的空气动力学飞行机动。

该研究在4月17日发表在 《自然 》杂志上的一篇论文中进行了描述。

苍蝇的翅膀铰链包含 12 块控制肌肉，每个控制肌肉连接一个神经元。就上下文而言，虽然蜂鸟具有与苍蝇相同的机动性，但它使用数千个运动神经元来执行类似的飞行动作。

“我们不想只预测机翼运动;我们想知道单个肌肉的作用，“该研究的第一作者Johan Melis（PhD ’23）说。“我们想将机翼铰链的生物力学与控制它的神经回路联系在一起。

首先，该团队创造了基因工程的 黑腹果蝇 ，其中控制翅膀铰链的肌肉在激活时会发出荧光灯。然后，研究人员将苍蝇放在一个装有三个高速摄像机的房间里，该摄像机能够每秒捕获15,000帧以测量翅膀运动，以及一个显微镜以检测苍蝇翅膀铰链肌肉的荧光激活。在收集了超过80,000个翅膀拍动后，该团队应用机器学习技术来处理大量数据，并生成12个微小控制肌肉如何共同作用以精确调节翅膀运动的地图。以前的飞行计算机模型只是简单地描述了机翼运动的模式。相比之下，新模型结合了控制肌肉如何改变机翼铰链的机制，从而产生机翼运动。

在后续工作中，该团队旨在创建一个详细的基于物理的模型，将铰链的生物力学与翅膀的空气动力学以及苍蝇大脑内的潜在神经回路相结合。研究人员还计划从其他种类的飞虫（如蚊子和蜜蜂）中收集数据，以了解翅膀结构如何进化以允许复杂的飞行行为。

最终目标是了解苍蝇大脑与其翅膀运动之间的神经生物学联系。“机翼铰链只是硬件;我们实验室真正的热情是大脑-身体接口，“Dickinson说。“我们想了解生物力学和神经生物学之间的回路。在进化过程中，很少有动物有一种非常成功的运动形式——行走——而只是 增加了另一种运动形式——飞行。这意味着昆虫的大脑必须拥有所有的电路来调节完全不同的运动方式。

这篇论文的标题是“机器学习揭示了昆虫翅膀铰链的控制机制”。除了Melis和Dickinson之外，霍华德休斯医学研究所（HHMI）的Igor Siwanowicz也是合著者。资金由美国国家神经疾病和中风研究所（美国国立卫生研究院的一部分）和HHMI提供。Dickinson是加州理工学院Tianqiao and Chrissy Chen神经科学研究所的附属教员。