Nature Commun：社交状态调控触觉感受的神经机制

来源：brainnews

2020年8月7日，清华大学生命学院、清华IDG/麦戈文脑科学研究院张伟研究员在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上在线发表题为“A neural circuit encoding mating states tunes defensive behavior in Drosophila”的研究长文（doi:10.1038/s41467-020-17771-8），报道了关于动物触觉感受被不同社交状态调控的神经环路机制的最新研究结果。

动物依赖特化的机械感受器官和神经元来感知外界环境中的机械力刺激，并做出相应的行为反应。社交环境会显著地影响动物对外界刺激的感受，同样的机械力刺激在不同的社交背景下会触发不同的感受和行为，但这其中的调控机制尚不清楚。本研究发现，触碰果蝇翅膀会引起踢腿等防御行为，这个行为是由翅膀边缘的机械感受器介导的。有趣的是，雌性果蝇的这种防御行为会受到其交配状态的调制：在求偶时和交配中，防御行为下降，以利于果蝇完成交配；而在交配后防御行为上升，以避免短时间内再次交配。同时，作者利用神经环路标记、行为学测定和钙成像等生理实验解析了不同交配状态调控防御行为的神经环路：位于果蝇腹神经索的Tmc-L神经元作为控制防御行为的核心神经元，在求偶时和交配中受到上游神经元的抑制，而在交配后受到另外一群神经元的激活（图1）。该研究首次解析了触觉感受被社交环境调控的神经环路机制，助于理解神经编码的复杂性。

图1 研究总结示意图

首先，作者发现对果蝇翅膀边缘施加机械力刺激会引起踢腿行为，并将该行为定义为防御行为，通过统计刺激10次中引起踢腿的次数来衡量防御行为的强弱。作者经过筛选发现Tmc-L神经元参与调控防御行为，然后又进一步通过遗传操作的方法缩小Tmc-L神经元标记范围，仅标记位于腹神经索的中枢Tmc-L神经元（Central Tmc-L neurons, CTNs）。利用行为学实验作者观察到，失活CTNs会引起防御行为降低而激活CTNs会引起防御行为升高，这些实验结果证明了CTNs是控制防御行为的重要神经元。同时研究人员还通过钙成像的方法证明，当激活翅膀边缘机械力敏感神经元时，CTNs的胞体钙信号会上升，进一步说明CTNs作为翅膀边缘机械力神经元的下游调控防御行为（图2）。

图2 CTNs参与调控由触碰翅膀边缘引起的防御行为

作者通过观察果蝇在交配前/时雌性和雄性有着十分紧密的身体接触，且在该过程中雌蝇三分之二以上的翅膀会受到雄蝇的触碰，但却并没有观察到交配前/中的雌蝇产生防御性的踢腿行为。可以想象，如果在交配时雌蝇也和正常状态下一样会感受到机械力刺激而产生防御行为，是无法顺利完成交配的，这其中一定存在某种调节机制。

为了研究具体的机制，作者模拟了一个交配环境：给雌蝇循环播放雄性求偶歌并释放雄性气味，结果显示在模拟的交配环境下雌性的防御行为的确会显著降低。同时该研究发现，激活控制交配的重要神经元dsx神经元会引起雌蝇防御行为降低，于是作者推测雄蝇的求偶信号能够激活雌蝇dsx神经元，dsx神经元进一步抑制CTNs从而降低防御行为。为了验证这个猜想，作者利用GRASP (GFP reconstitution across synaptic patterners)技术证明dsx神经元和CTNs能够形成突触联系，又利用免疫共染色证明了该突触连接是抑制性的。该研究还通过钙成像技术证明，同时激活dsx神经元和翅膀外周机械力敏感神经元并不会像上述结果一样引起CTNs胞体的钙信号上升（图3）。辅助行为学实验结果，可以得到结论：处在交配前/中状态的雌性果蝇，其dsx神经元会被雄性求偶信号激活从而释放抑制性神经递质GABA给CTNs，从而降低防御行为以促进交配。

图3 dsx神经元通过与CTNs形成抑制性突触降低交配前/中雌蝇的防御行为

与未交配时的状态截然不同，在交配后雌蝇的许多行为会发生显著改变，比如：产卵量增加，短时间内不会再次交配等。因为踢腿是雌蝇拒绝雄蝇求偶的主要行为之一，于是作者猜测交配后的雌蝇防御行为会增强。该研究先将处女蝇与雄蝇交配，交配完成后将雌蝇取出放置在食物中一段时间，然后再检测其防御行为强弱。结果表明雌蝇交配后防御行为上升，并且可以持续3-8小时。经过筛选，作者发现失活雌蝇子宫附近的一群神经元（uterine neurons, UNs）后,由交配引起的上升的防御行为消失了。该结果说明UNs参与调控交配引起的上升的防御行为。

接下来的实验证明了UNs可以和释放神经肽Leucokinin（LK）的神经元形成突触联系，同时CTNs上也表达LK的受体。这暗示交配后LK可能直接作用于控制防御行为的中心神经元CTNs来增加防御行为。实验结果证实了这一猜想：在CTNs中敲低LK受体的果蝇中，交配没能像对照组一样引起防御行为的上升。另外作者还通过光激活的方式证明CTNs在UNs的下游发挥作用：光激活UNs的同时可以记录到CTNs胞体钙信号上升。这一系列的实验能够说明雌蝇交配后上升的防御行为受一个三级神经环路控制：交配引起位于子宫的UNs兴奋，进而激活UNs下游的LK神经元。释放的LK与CTNs上LK受体结合，CTNs兴奋使得防御行为上升。

图4 调控交配后上升防御行为的神经环路机制