运动的大脑回路早在附属物和骨骼之前就进化了

在具有分段身体、关节骨骼或附属物的动物进化之前的数亿年，像海蛞蝓这样的软体无脊椎动物统治着海洋。一项新的研究发现，驱动海蛞蝓运动的大脑结构与具有关节骨骼和附属物的更复杂的分段生物之间的相似之处。

该研究报告在《神经科学杂志》上报道，该研究表明，昆虫、甲壳类动物甚至脊椎动物(如哺乳动物)并没有开发一套全新的神经回路来控制分段身体部位的运动，而是适应了一个神经元网络，一个模块，引导更简单的生物体的运动和姿势。

“海蛞蝓可能仍然有这个模块，一个被称为'A簇'的小型神经元网络，到目前为止已经确定了23个神经元，”诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校分子和综合生理学教授Rhanor Gillette说，他领导了这项新研究。

“我们在这项研究中解决的问题是，我们在海蛞蝓和更复杂的生物之间看到的相似之处是否独立进化，或者那些具有分段身体部位和附属物的生物是否可能从软体中继承了它们的潜在神经回路，双边对称的共同祖先，”他说。

为了回答这个问题，吉列和他的同事，前研究生科林·李(Colin Lee)和杰弗里·布朗(Jeffrey Brown)对海蛞蝓运动进行了录像，并将这些数据与记录的对海蛞蝓大脑中神经和特定神经元刺激的反应相结合。

“我们研究的掠食性海蛞蝓，Pleurobranchea californica，利用脚上的纤毛爬行，划过分泌的粘液，”吉列说。“对于姿势转向或远离刺激，它只是缩短身体的一侧，并通过疯狂的摇摆游泳逃离其他捕食者 - 所有这些都由A集群驱动。

吉列实验室先前的研究表明，Pleurobranchaea每次在野外遇到另一种生物时都会进行成本效益计算。如果它非常饥饿，控制其攻击和进食行为的神经元处于高度唤醒状态，它会追逐几乎所有闻起来像食物的东西。在其他情况下，它什么都不做，甚至主动避免刺激。

“如果它不需要食物并且可以避免其他被它吸引的同类相食的Pleurobranchaea，这是一个好主意，”吉列说。“所有这些行为都涉及A集群如何与行动选择协调。

吉列说，在哺乳动物中，一种称为网状系统的特殊后脑模块翻译了来自更高大脑区域的姿势和运动行动选择的具体指令。然后，该区域将运动命令向下发送到脊髓，以最终传输到肌肉。

“特别是，网状系统依赖于关键的血清素产生神经元来控制姿势和运动的身体运动，”他说。“在这项新研究中，我们发现海蛞蝓A簇中类似的产生血清素的神经元正在驱动追逐，回避和逃避等行为。

“在相对简单的情况下，海蛞蝓在许多方面类似于当今复杂动物的预期更简单的祖先，”吉列说。“动作选择的所有主要电路模块，将该选择转化为运动命令，以及在复杂动物的神经系统中发现的运动模式生成，也可以在更简单的软体海蛞蝓中识别。

吉列说，这项研究提供了第一个证据，证明驱动具有复杂身体和行为的动物运动的回路“在更简单的腹足类软体动物中具有密切的功能相似性，并且可能共享共同的遗传”。