電子背包幫助研究蜻蜓如何飛行 _蜻蜓

蜻蜓背包的藝術想象圖。這種電子背包可以幫助霍華德·休斯醫學研究所的科學家研究蜻蜓如何飛行
據新浪環球地理：在美國弗吉尼亞州北部一個沒有窗戶的房間里，神經學家安東尼·萊昂納多(Anthony Leonardo)正準備打開一扇門。他說：“里面有成千上萬的果蠅，而我們不想讓它們都飛走。”這些果蠅并不是實驗對象，它們其實是作食物之用。萊昂納多正在研究蜻蜓是如何在飛行中捕捉獵物的。為此他和同事們正在進行一項新的發明：一個能記錄蜻蜓追逐獵物時神經活動的背包。
萊昂納多在霍華德·休斯醫學研究所(HHMI)工作。該研究所為像他這樣的科學家提供全額資助，使他們不必忙于申請贈款或指導學生。許多科學家來自大學，但萊昂納多卻是在HHMI位于弗吉尼亞州阿什本的研究機構工作。
果蠅和蜻蜓所在的房間被稱為“蜻蜓飛行競技場” 。這是個燈火通明、溫暖潮濕的地方。為了讓蜻蜓以為身處炎熱的夏天戶外，房間的墻壁上覆蓋著大幅的戶外景觀圖片——前景是亮黃色的鮮花，背景是翠綠的樹林。為數不多的幾只蜻蜓停在墻壁或攝像機上，偶爾起身追逐果蠅。當攝像機打開的時候，萊昂納多就可以記錄蜻蜓的一舉一動，追蹤它們四片翅膀精準的協調動作。
動作的控制
攔截一個移動的物體看起來似乎不費吹灰之力。棒球場上的外野手盯著球，開始跑動，然后伸出手套， “啪”的一聲就抓到了球。然而，如果在神經細胞的水平看這個問題，情況就復雜得多。
“這是一個我們經常想當然的問題。”萊昂納多說道。在接球的時候，你是在同時做兩件事：追蹤你想要的東西然后抓住它。蜻蜓也是在追蹤果蠅的運動，然后在同一時刻，擺正身體伸出6條腿，抓住果蠅并送到嘴里。萊昂納多說：“我們對大腦如何整合這些感覺和運動信息幾乎一無所知。”
萊昂納多之所以選擇蜻蜓，而不是人類或小鼠來研究這一問題，部分是因為蜻蜓非常靈活而且優美，但主要還是因為它們相對簡單。它們的大腦中神經元數量較少，意味著可以更容易地測量所發生的一切。就昆蟲而言，蜻蜓算是體型較大的，這也使它們更容易進行研究。想想看，要是在蒼蠅的身上放個背包，難度顯然大了很多。
在“蜻蜓飛行競技場”樓上的實驗室里，萊昂納多展示了這些背包組裝的過程。他將銀線和碳纖維粘起來做成天線，再剪出一小塊芯片，將它們都粘在一起。之后，這整個東西會被粘到蜻蜓的背上。
以往的蜻蜓背包都太過沉重；而且，盡管蜻蜓在被針刺的情況下仍能飛行，但它們會停止覓食，并很快餓死。通過縮小電池的體積，萊昂納多及其同事成功地將背包重量減到只有40毫克，只相當于兩顆米粒的重量，而且體積也足夠小，使蜻蜓在背負的同時可以進行覓食。
在背包上還有一條微小的線，其末端具有可以連接蜻蜓單個神經元——位于神經髓中——的探針。萊昂納多說：“當蜻蜓在進行靈活的攔截表演時，這個小背包就像是收音機一樣，向我們的電腦播放著來自神經元的信號。”
不過，關于這個構想還有個小問題：怎樣才能將探針合理地插入，而不使蜻蜓感到困擾。萊昂納多說：“這就像是在你的鞋子里放一塊石頭，然后讓你跳舞。”他的團隊還在研究如何放置探針，讓蜻蜓開始“跳舞” 。
慢動作觀察
僅僅通過觀察蜻蜓的活動，萊昂納多就了解到了很多蜻蜓“思考”的知識。高速攝像機的慢動作回放顯示，蜻蜓和果蠅的飛行會會聚一處。萊昂納多還對蜻蜓進行了動作捕捉。他們在蜻蜓身上粘了幾個反射點，通過一個紅外攝像機陣列記錄了其飛行中彎曲和轉彎的過程。看起來，蜻蜓在捕獵的時候，會使果蠅一直保持在視野里的相同位置，然后再不斷靠近。這與人們之前推測的一致。不過，萊昂納多想要了解的是蜻蜓的身體運作如何決定其實際運動。“就好像，如果你要從華盛頓開車前往波士頓，你不能以直線行駛，”他說，“有其他的約束條件讓你不能這么做。”
【電子背包幫助研究蜻蜓如何飛行】“這真是驚人的工作，”華盛頓大學計算神經科學家阿德里亞娜·菲爾霍(Adrienne Fairhall)說，“對于少數量的神經元，我們還沒有很多能夠真正理解的例子。”大腦的復雜程度十分驚人，一個人類大腦擁有數十億個神經細胞，彼此之間不斷發送著信號。蜻蜓背包讓人印象深刻，“這是推動技術發展的一個很棒的例子。” 菲爾霍補充道。