面对「女神」，追求还是放弃？Nature 最新研究揭示果蝇的「爱情密码」

丁香学术2021-09-09

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研究背景

饮食男女，不光是人生大事，也是所有动物的头等大事。近日，Nature 杂志在线发表了一篇关于果蝇求偶的研究论文。热衷于窥探大脑秘密的神经科学家以果蝇为模型，向我们揭示了雄性果蝇求偶行为时，大脑里发生了些什么。

在果蝇群体中，雄性果蝇会通过一个复杂隆重的仪式进行求偶，在这期间雄性果蝇会忠实地跟随雌性果蝇并且一直「唱歌」进行求偶。然而，如何通过神经调控影响视觉信号并调节行为，目前仍尚不明确。

近日，美国洛克菲勒大学 Vanessa Ruta 研究团队通过记录雄性果蝇向虚拟雌性果蝇的求爱进程，深入探索视觉信号经雄性果蝇内部唤醒状态转换成持续求偶的作用和机制，并揭示了雄性内部状态如何经由高保真视觉运动通路调节视觉信号，从而指导每时每刻的求偶表现。

图片来源：Nature 官网

Vanessa Ruta（图片来源：洛克菲勒大学官网）

研究思路

与多种动物相似，果蝇是通过信息素信号识别求偶对象的。但 Ruta 团队发现仅通过视觉信号就可以激活雄性果蝇的求偶行为。

研究团队首选建立了一个虚拟-模拟现实的视觉系统，用于探索雄性果蝇内部唤醒状态如何调节行为。该系统将雄性果蝇拴住，并将高对比度的点投影到锥形屏幕上模拟雌性果蝇。

当研究人员在屏幕上投射一个简单地来回移动的点时，雄性果蝇无动于衷，但是当这个点开始模仿雌性苍蝇的自然运动时，雄性果蝇就会爱上它。P1 神经元亮起，果蝇开始向圆点跑去并扇动翅膀。该研究的第一作者 Tom Hindmarsh Sten 说：「雄性果蝇看到像雌性果蝇一样移动的图像就足以产生兴奋状态，并迅速行动起来。」

接下来，该团队发现 P1 神经元在视觉和行动之间建立了联系。研究团队利用光激活雄性果蝇的 P1 神经元，发现雄性果蝇会追逐运动的「假雌性果蝇」，并且出现伸长同侧翅膀这种具有求偶特征的行为。而果蝇的其他行为未被光激活 P1 神经元所影响，提示 P1 神经元对果蝇内在激活具有特异性调控作用。

在 P1 神经元激活期间，视觉神经元与果蝇的运动系统进行通信，使果蝇能够跟随目标。然而，如果没有 P1 激活，连接就会中断，果蝇完全停止使用这种视觉运动通路，对雌性果蝇的存在视而不见。

图片来源：Nature

LC10a 视觉投射神经元将视网膜的视觉信号传递到前视神经结节（anterior optic tubercle, AOTu），在求偶期间准确定位追踪同类的过程中发挥了重要作用。

单侧雄性果蝇光抑制 LC10a 神经元时，果蝇向该侧旋转寻找求偶目标的行为明显减少。

此外，在求偶过程中，果蝇开始求偶追逐时，AOTu 的 LC10a 轴突末端记录到 Ca 信号明显升高；雄性果蝇停止追踪雌性时，Ca 信号恢复到较低的水平，说明该通路的激活存在瞬时调节的时间模式。

图片来源：Nature

尽管 P1 神经元不直接支配 AOTu，但考虑到 P1 神经元活性和雄性果蝇求偶行为强度变化的相关性，研究团队随后分析了 P1 神经元与 LC10a 神经元的联系。通过分析发现 P1 神经元向 LC10a 神经元输入信号并参与调节 LC10a 神经元的激活。

最后，研究团队建立了一个网络模型，揭示了经由 LC10a 环路的视觉信号。一旦被 P1 神经元介导的内部唤醒状态增强，几乎可以确定雄性对雌性果蝇的追逐和跟随行为。同时研究团队证实 P1 神经元与雄性求偶强度持续波动相关，并且 P1 神经元通过调节视觉运动环路信号水平塑造正在进行的行为。

有意思的是，由于抑制性信息素途径直接作用于 P1 神经元，它们可以急性逆转 LC10a 信号的增强，从而使雄性果蝇放弃对于不合适配偶的徒劳追求。

图片来源：Nature

亮点分析

大脑如何调节感知和行为？这是神经科学领域最基础也是最重要的问题。

该研究通过实验提出了果蝇大脑存在一种神经「操控元件」，可以重塑感觉信息并且相应地产生不同的反应行为，也就是大脑改变对相同的刺激因素的反应。

正如本文所研究的果蝇，野生条件下，雄性果蝇持续向雌性果蝇进行求偶，而与此同时，雄性果蝇需要对感觉信息回馈保持敏感，从而避免出现持续追求不合适或者追求不到的配偶。

本研究中，研究人员提出了一种神经环路的门控调节方式，能够平衡求偶过程中持久性和灵活性的需求，从而调节雄性果蝇复杂的求偶行为。Ruta 说：「这种设计确保果蝇不会一直进行求偶，而只是在合适的条件下，使得求偶这样的基因编程行为可以同时强大而灵活。」

题图来源：图虫创意

参考资料：

1. Tom Hindmarsh Sten et al, Sexual arousal gates visual processing during Drosophila courtship, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03714-w

2. https://www.rockefeller.edu/news/30711-drosophila-courtship-arousal-state/