果蝇味觉“连接组”揭示从感知到行动的神经通路

这张图谱——在比秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）更复杂的动物中尚属首例——为神经科学家研究神经回路如何引导摄食行为，提供了大量可供验证的假设。

一项新的神经连接图谱展示了这些味觉感知神经元如何与大脑相连，并进一步连接到调控行走、吞咽以及消化过程中胰岛素分泌等活动的神经元。这份详尽的图谱于上个月发表在《细胞》（Cell）杂志上，为利用果蝇研究味觉信息如何被处理、进而驱动行为，提供了重要基础。

“我们自以为对味觉了解颇多，实则知之甚少，”未参与此项研究的德国凯泽斯劳滕-兰道大学（RPTU）神经生物学与动物学教授扬·皮拉格（Jan Pielage）表示。现在，“我们可以利用果蝇及其强大的遗传学工具，逐一验证有关味觉的具体假设。”

参与此项研究的尚帕利莫未知中心（Champalimaud Centre for the Unknown）行为与代谢实验室高级课题组长卡洛斯·里贝罗（Carlos Ribeiro）指出，由于味觉感知神经元具有高度特异性，味觉感知与行为之间的关系比视觉或听觉更为直接。面对同样的视觉刺激，动物的反应可能千差万别；但果蝇通常会趋向甜味物质，避开苦味物质。里贝罗说：“驱动这种行为的机制，是神经元本身就具备的。”

里贝罗及其团队利用光学显微镜，识别了雌雄果蝇口器、咽部、足部和翅膀上的所有味觉感知神经元，并根据它们的形态和基因表达特征，确定了每个神经元感知的具体味觉类型。随后，他们结合雄性果蝇完整的神经系统连接组，以及雌性果蝇的大脑连接组，追踪了味觉神经元轴突向大脑投射的路径。其中，雄性果蝇的完整神经系统连接组与味觉连接组发表于同一期《细胞》杂志。

研究团队发现，无论身体哪个部位的甜味感知神经元被激活，信号最终都会汇聚到相似的下游神经元上。不过，这些通路依然保留了甜味来自身体哪个部位的信息。

“这是一种非常精妙的架构，”里贝罗表示。它使果蝇既能做出“接受”食物这一共同反应，又能根据具体情境调整行为：“显而易见，如果食物接触到足部，果蝇就应该停下来；如果接触到‘舌头’，它就应该将食物吞咽下去。”

里贝罗指出，果蝇咽部有一个由多种味觉感知神经元组成的“庞大家族”，它们似乎分别调控进食过程中的某些环节，例如吞咽动作和胰岛素释放。此外，研究团队还在果蝇的“舌头”上发现了至少两种此前未知的味觉感知神经元。

里贝罗补充道，总体而言，味觉感知神经元的多样性，比仅根据基因表达推测出的更为丰富。“确实，可能有许多神经元都能感知糖分，它们在分子层面或许非常相似，却各自发挥着不同的功能。”

此外，味觉曾被认为纯粹依靠“前馈”机制发挥作用，但研究团队发现，“负责进食的神经元一直受到抑制，而味觉的作用实际上是解除这种抑制，也就是松开‘刹车’”。里贝罗指出，这或许是自然界防止行为失控、让各项生理过程保持可控的一种方式。

皮拉格表示，与所有连接组一样，基于这一味觉连接组得出的推断，也需要通过实验检验。构建图谱时，里贝罗及其同事利用人工智能，预测单个神经元表达的神经递质，以及它们对其他神经元产生的是兴奋作用还是抑制作用。他们还通过数学方法估算神经元之间的连接关系，包括跨越多个突触的间接连接，并据此构建神经回路。皮拉格指出，这种方法“可能会低估某些由大量微弱连接构成的通路”。

未参与此项研究的西班牙国家研究委员会（CSIC）终身研究员胡安·桑切斯-阿尔卡尼兹（Juan Sánchez-Alcañiz）认为，正如获得基因组并不意味着彻底破解了生物学奥秘，连接组虽然是一个“非常有价值的工具”，也无法直接揭开大脑运作的所有谜团。

“它就像一张路线图，”他说。但如果路上出现交通拥堵，地图本身无法告诉你车流接下来会如何变化。他指出，将单细胞RNA测序数据与连接组结合，观察神经元在特定激活或抑制状态下表达哪些基因，是连接组学未来的发展方向之一，目的是“尝试弄清神经系统究竟如何运作”。

皮拉格表示，连接组能够标明单个神经元在行为回路中的具体位置，使科学家得以借助神经遗传学手段，进一步研究它们的功能。

“最妙的地方在于，只要能通过遗传学手段进行操控，我们现在就能激活或抑制果蝇体内的任何一个神经元，观察它的行为会发生什么变化，”他说，“这实际上为我们提供了一个可以继续探索的平台。”

里贝罗表示，正因如此，为绘制连接组图谱付出长达二十年的努力才是值得的。“这确实为我们和其他许多研究者今后取得更多发现奠定了基础。”

参考信息：

https://www.thetransmitter.org/connectome/fly-taste-connectome-traces-paths-from-sensation-to-action/

https://www.eurekalert.org/news-releases/1142120