揹著揹包的蜻蜓或將促進捕獵科學的發展

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蜻蜓是“A”級獵手,在空中捕獲果蠅的成功率約為95%,這一成績讓獅子這樣的頂級掠食者也相形見絀。

昆蟲的高效率——加上相比任何大小的哺乳動物,其生物學更容易被破解(更少的活動部件——即神經元)——使得蜻蜓成為研究基本但仍然複雜的行為(如捕獵)的神經基礎的極具吸引力的生物。

生物學家安東尼·萊昂納多和來自Intan Technologies和杜克大學的同事們對蜻蜓很感興趣,著手建立儀器,使研究人員能夠監測蜻蜓麗蛉物種中一組神經元的活動,這些神經元似乎對引導捕獵至關重要。今年夏天,萊昂納多在霍華德·休斯醫學研究所珍妮莉亞農場研究園區的小組希望展示蜻蜓在進行復雜行為——俯衝捕獵——的過程中,大約在一秒鐘的時間裡,其神經系統中發生了什麼。“蜻蜓在空中捕捉移動的蒼蠅,”萊昂納多說。“在這個過程中,它必須考慮一隻移動的蒼蠅或蚊子,並思考它的去向,它現在在哪裡,它將來會在哪裡,它自己的身體如何運作,以及那種目標在不斷變化。”


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進行這些實驗既需要追蹤蜻蜓,也需要設計必要的儀器來監測假設引導昆蟲在接近果蠅時的運動的16個神經元。該團隊成功地為蜻蜓配備了一組小的反光球,安裝在頭部和翅膀上,以便在它們在昆蟲版的羅馬鬥獸場中移動並盡情享用果蠅時追蹤它們。

最困難的部分還在未來幾個月,屆時昆蟲將配備揹包,揹包可以記錄大腦細胞在追逐蒼蠅時的訊號,然後透過無線電訊號將它們傳輸到計算機進行分析。蜻蜓重400毫克,不到回形針重量的一半,因此製造一個既不會將昆蟲釘在地上,也不會徹底改變其行為的揹包是一個重大挑戰。

揹包中遙測技術所需的最小實用電池的總重量約為蜻蜓的三分之一,並且可能會降低昆蟲的捕獵熱情。因此,萊昂納多和團隊設計了一款40毫克的揹包,由無線電波的能量供電。透過這樣做,他們可以記錄來自昆蟲在捕獵過程中引導它的轉向神經元的訊號——這種裝置也應該能夠監測其他神經元群。揹包有細小的電線、微型感測器,連線到腹神經索,相當於蜻蜓的脊髓。揹包應該能夠以每秒5兆位元的速度傳輸關於昆蟲神經元在它撲向午餐時所做的事情的資訊。

如果這些測試按計劃進行,這項工作將為迴路如何在動態神經過程中執行提供新的見解,這些過程接收感覺資訊並對其進行處理,以做出關於未來行動的決定。“我們希望我們從蜻蜓身上學到的東西將廣泛適用於神經元如何普遍地解決問題,”萊昂納多說。“這是一類廣泛的計算問題,神經系統必須解決——並在某種程度上它們進化來解決。”

D蠅在工作:晚餐上桌了

Gary Stix, senior editor of mind and brain topics at 大眾科學, 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 大眾科學'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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