Hvordan insekter kontrollerer deres vinger:Insektflugtens mystiske mekanik

En flues vingehængsel indeholder 12 kontrolmuskler, med en neuron forbundet til hver. For kontekst, mens en kolibri har samme manøvredygtighed som en flue, bruger den tusindvis af motorneuroner til at udføre lignende flyvemanøvrer.

"Vi ønskede ikke kun at forudsige vingebevægelsen; vi ønskede at kende de enkelte musklers rolle," siger Johan Melis (Ph.D. '23), undersøgelsens første forfatter. "Vi ønskede at binde vingehængslets biomekanik sammen med de neurale kredsløb, der styrer det."

For det første skabte holdet gensplejset D. melanogaster, hvor musklerne, der kontrollerer vingehængslet, ville lyse med fluorescerende lys, når de blev aktiveret. Forskerne placerede derefter fluerne i et kammer med tre højhastighedskameraer, der er i stand til at fange 15.000 billeder i sekundet for at måle vingebevægelser, og et mikroskop til at detektere den fluorescerende aktivering af fluens vingehængselmuskler.

Efter at have indsamlet mere end 80.000 vingeslag, anvendte holdet maskinlæringsteknikker til at behandle den store mængde data og generere et kort over, hvordan de 12 små kontrolmuskler fungerer sammen for præcist at regulere vingebevægelser. Tidligere computermodeller af flueflyvning beskrev simpelthen mønsteret af vingebevægelse. Den nye model, derimod, inkorporerer, hvordan kontrolmusklerne ændrer vingehængslets mekanik og producerer vingebevægelser.

I det opfølgende arbejde sigter teamet efter at skabe en detaljeret fysikbaseret model, der inkorporerer hængslets biomekanik med aerodynamikken i vingerne og det underliggende neurale kredsløb i fluens hjerne. Forskerne planlægger også at indsamle data fra andre arter af flyvende insekter, såsom myg og bier, for at forstå, hvordan vingestrukturer udviklede sig for at tillade sofistikeret flyveadfærd.

Det ultimative mål er at forstå den neurobiologiske forbindelse mellem en flues hjerne og bevægelsen af ​​dens vinger. "Vingehængslet er kun hardwaren; den virkelige passion i vores laboratorium har været hjerne-krop-grænsefladen," siger Dickinson.

"Vi ønsker at forstå kredsløbet mellem biomekanikken og neurobiologien. Meget få gange i evolutionen har et dyr haft en meget vellykket form for bevægelse - at gå - og blot tilføjet en anden - flyvning. Det betyder, at insekters hjerner skal have alt. kredsløbet til at regulere til helt andre måder at bevæge sig på."

Flere oplysninger: Johan M. Melis et al., Machine learning afslører kontrolmekanikken i et insektvingehængsel, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07293-4

Journaloplysninger: Natur

Leveret af California Institute of Technology