果蝇作为经典模式动物,除了在遗传学上具有无可比拟的优势之外,其神经系统的结构和规模也使其成为神经功能和环路基础研究的绝好对象。果蝇的成虫中央脑有约10万个神经元,幼虫的数字则是1万,相比哺乳动物中数以亿计的神经元,这个规模是小得多。但果蝇具有几乎同样丰富的行为库。果蝇除了具备基本的行为能力之外,也具有通常哺乳动物中可见的节律,睡眠,学习记忆,以及打架等行为。
 
虽然果蝇可以进行很多复杂的行为,而从还原论的角度来看,这些行为从结构上都可以分解还原为比较基本的行为。目前的研究状况是,虽然人们对复杂行为的分子和神经细胞基础有很多的研究,但是却对所涉及的基本行为单元的分子细胞机制缺乏了解。有鉴于此,我们的研究思路是,从基本的行为要素着手,了解其分子神经机制,然后再去搞清楚由这些基本行为所构建而成的复杂行为的相关分子神经基础。相对于分子机制而言,行为的神经环路机制和行为以及神经精神现象的关系更为紧密,而方面的研究还处于起步阶段,因此成为我们所最为感兴趣的研究领域。
 
研究方向之一:果蝇幼虫的光偏好行为
 
偏好行为是几乎所有复杂行为的基础,正是偏好或者好恶决定了我们所做的很多事情。成虫的果蝇是趋光的,而幼虫则相反,是避光的。这是为什么呢?虽然人们早就知道这些现象,但是其原因仍旧是个谜。行为是神经系统活动的结果,因此避光性也一定是神经回路对视觉信息以特定的方式进行加工的结果。
 
果蝇的幼虫的眼睛被称为Bolwig’s Organ BO. 对于普通强度的光线敏感,主要是感受蓝光和绿光。BO发出的轴突称为BN(Bolwig’s nerve) 直接投射进中央脑半球。其下游的神经元,目前已知的包括节律相关的pdf 神经元和5th LN (lateral neuron)。但其他的视觉相关神经元就不清楚了。
 
在前期工作中,我们通过使用神经毒素阻断神经元功能的方式,进行幼虫避光行为筛选,发现有两对神经元(NP394神经元),在其活性被抑制以后,能使果蝇幼虫从避光变得趋光。通过免疫组织化学的方式比较NP394神经元和pdf神经元的形态,我们发现它们之间可能存在上下游关系。然后通过功能钙成像的方法,我们证实了NP394神经元处于pdf神经元的下游,而且pdf神经元是抑制NP394神经元对光刺激的反应的。
 
目前我们的工作,一方面是深入分析其他果蝇幼虫光偏好神经元,另外一方面我们也试图将这一研究模式扩展到成虫果蝇,因为从幼虫到成虫,同样的果蝇,光偏好确是截然相反的。我们相信神经回路在发育中的变化是导致这一偏好翻转的根本原因。
 
研究方向之二:多感觉模式的偏好选择条件下的抉择行为机制
 
感觉系统有多套,而运动系统只有一个,这使得动物个体在接受了多种感觉刺激时,这些不同感觉模式的信息会进行竞争,以获得对于最后行为的决定权,这就是所谓的抉择行为。在果蝇中我们可以基于本能偏好行为建立最简单的抉择模式。比如,果蝇所喜欢的气味和所讨厌的光线或者温度一起出现时,果蝇会做怎样的选择?更加关键的问题是,在做出这个选择之前,不同的感觉信息在神经系统里面是如何流动,又是如何汇聚整合,最后形成抉择行为的运动指令的?
 
我们的研究思路是,先分别解析不同感觉模式下的偏好相关神经元回路,然后找出这些回路的不同之处,它们的汇合点以及汇合后的共同部分。所采用的手段,主要还是基于神经元活性调控的行为学筛选,用于观察神经元形态的组织化学技术,功能钙成像,以及光遗传学技术。不过除了这些生物学的方法之外,对神经元网络结构以及神经生理信号的分析,数学的方法手段将会起到决定性的作用。
 
研究方向之三:果蝇爬行模式的运动神经元表征
 
和本能偏好行为相似,虽然几乎所有的果蝇行为都会涉及到爬行运动,但果蝇为什么会那样爬,运动神经元是以怎样的方式决定了果蝇是前进还是后退抑或是拐弯甚至直立,人们也并不清楚。但弄清楚这一点却非常重要,因为不管中央脑的神经元是如何处理信息的,反映到行为上来,必定要经过运动神经元这一层面。是运动神经元把神秘的中央脑信息“翻译”成了我们所能看得见看得懂的动物行为。搞清楚了这个“翻译”的原理,我们就有可能直接理解中央脑神经元的信号,推断出动物所要做出的行为动作。
 
果蝇幼虫的运动神经元位于食管下神经节,包括 3 个胸节(thoracic segment ,T1,T2,T3) 9个腹节(abdominal segmentA1-A9)。运动神经元的身份或者具体准确名称通常是根据其所支配的体壁肌肉来确定的。 比如在腹部, 每半节(hemisegment) 30条不同的横向和纵向肌肉, 这些肌肉由相应的半节中的约36个运动神经元所支配。我们研究果蝇幼虫爬行运动的运动神经元表征的基本方法是钙成像。简单说,就是直接观察爬行中的果蝇幼虫的运动神经元的钙发放方式。我们相信通过观察这将近一千个运动神经元的发放方式,我们可以从总体上获得对应于不同爬行方式的运动神经元表征方式。