许多动物依靠视觉来探测、定位和跟踪移动的物体。雄性果蝇果蝇主要利用视觉线索靠近雌性果蝇，并向雌性果蝇发出求爱的歌声。来自Martinsried大学神经生物学研究所和美国Janelia研究校区的科学家们现在描述了神经细胞，可以检测和追踪移动的雌性。结果表明这些LC10细胞构成了传递视觉信息的重要途径，而视觉信息是果蝇高效求爱所必需的。成功交配的第一步是识别潜在配偶，为了评估潜在伴侣的种类、性别和接受度，雄性果蝇会利用它们的嗅觉和味觉。如果结果是有希望的，雄鸟会转向雌鸟，并向雌鸟伸展和振动一只翅膀。这种“翅膀之歌”是求偶仪式中必不可少的一部分，雄性会跟着雌性一起唱。
LC10视觉投射神经元对于识别和视觉追踪雌性果蝇的求爱过程至关重要。图片：MPI of Neurobiology/ Kuhl
然而大脑如何从视觉线索中提取出“潜在伴侣”之类的东西，并开始以目标为导向的行为，人们仍知之甚少。来自马克斯·普朗克神经生物学研究所亚历山大·博尔斯特系的科学家和詹妮利亚研究所的巴里·迪克森在《果蝇》上调查了这个问题。该研究的第一作者Ines Ribeiro解释说：眼睛“只能看到光强度在空间和时间上的二维变化”。从这些信息中，大脑首先需要提取出另一只苍蝇的形状，这是一只潜在的伴侣，然后需要协调它的动作来引导它的行为指向目标，这是令人难以置信的复杂。在昆虫的大脑中，视觉投射神经元将经过预处理的信息从眼睛传递到大脑中心区域。众所周知，在雄性追逐雌性飞行的蝇类中，一些视觉投射神经元在配偶识别和跟踪中起着作用，例如家蝇和绿头苍蝇。
因此这些细胞也可以在果蝇的大脑中发挥各自的作用。然而到目前为止描述的单元类型只对小的移动对象作出反应。当果蝇雄性靠近雌性时，雌性占据了果蝇的大部分视野，使得果蝇对于已知的视觉投射神经元来说太大了，所以我们开始寻找另一种视觉投射神经元，以适应果蝇的需要。一个很有前途的候选细胞似乎是所谓的LC10细胞，其特异性尚不清楚。科学家们可以在行为实验中证明LC10细胞对于雄性呆在雌性的身边并将翅膀伸向雌性是足够和必要的。这些细胞对苍蝇大小的移动物体有反应。事实上，“LC10细胞似乎能提取出相对于背景的物体运动，这使得这些细胞在杂乱的自然视觉场景中具有强大的物体探测器。
生物发光监测系统的说明包括用于神经记录的光电倍增管(PMTs)和用于行为跟踪的热摄像机。由冷却的佩尔蒂埃元件和板组成的热墙改善了图像对比度。图片：RIKEN
此外结果表明LC10细胞能够识别潜在配偶的当前位置。有了这些信息，下游的大脑回路有助于雌性追踪。雄鸟展翅的频率和持续时间受求偶刺激的影响。如果仅存在于雄性的P1神经元在雄性大脑中被人工或雌性信息素预先激活，LC10细胞的有效性就会大大增强，从而使雄性视觉跟踪和翅膀伸展。结果表明，视觉投射神经元的LC10细胞类型对于视觉引导的雄性求爱行为是必要的和充分的。在脊椎动物的大脑中，视网膜神经节细胞承担与视觉投射神经元类似的任务。因此一种类型的视网膜神经节细胞提供了视觉和目标行为之间的因果联系也是可能的。这可能是在求爱，捕获猎物或为不同的直接互动，果蝇有丰富的气味信息可以交流，但是现在他们的秘密已经被揭开了。
发表在《当代生物学》(Current Biology)上的一篇报告中，科学家们能够利用生物发光技术，利用自由互动的果蝇之间的交流来监测它们的大脑活动。发现雄性果蝇会将粪便作为一种信号，让苍蝇互相寻找，甚至引诱雌性果蝇到指定的地点。从苍蝇到哺乳动物，许多物种都使用一种叫做信息素的信号分子来吸引配偶并进行社交交流。这些信息素可能会从体内飘出或以尿液的形式排出体外，但日本理研脑科学中心(RIKEN Center for Brain Science)的研究人员现在发现，含有信息素的粪便地标，而不是苍蝇的身体本身，对其他苍蝇具有很强的吸引力。在一个配备了可见光和热成像设备的小空间里，果蝇能够自由活动。
一个例子实验捕获一个里程碑的在线外观，发光苍蝇(lum)在地标出现后的定位(上)和神经激活事件(下)，洋红色圆圈表示显著的神经活动。图片：RIKEN
研究人员对雄性和雌性果蝇对雄性信息素cVA的反应都很感兴趣，cVA只激活一类特定的气味感知神经元。在基因工程的果蝇中，由于引入了类似于另一种常见昆虫萤火虫的生物发光分子，这些神经元在被激活时会发光。这种同时进行的神经和行为记录是第一次对这种小型生物的社会交流进行研究，苍蝇的环境是信息素随时间和空间变化的丰富景观，这种自然观察可以改变我们对驱动苍蝇行为的因素的理解。通过观察雄性果蝇在舞台上的活动，研究人员发现，气味感应神经元最强烈地是由一个特定的位置触发的，这个位置被证实是果蝇粪便的位置，而不是果蝇之间的相互作用。气味感应神经元只在标记后才做出反应，苍蝇离这些粪便标志物越近，看到的生物荧光就越多。
在竞技场里，雄性果蝇会绕着场地的边缘飞行，并留下粪便，它们会倾向于再次造访，并花更多的时间在标记的区域飞行。气味感应神经元受阻的苍蝇没有表现出这种吸引力。在另一个雄性和雌性苍蝇的实验中，雌性苍蝇的粪便没有吸引力。另一方面，雄性的斑纹对两性都有吸引力，即使在求爱时雌性被雄性追赶。因此粪便地标起着社交枢纽的作用，表明标记苍蝇的身份和增加交配机会。这种生物发光的监测系统在果蝇之外也有应用。任何传统上需要电线或绳索才能完成的神经记录，特别是对小动物的记录，现在都可以利用这些发光大脑的能量，让研究人员实时观察社交交流中的活动。新兴的基因组编辑技术与生物发光探测器相结合，为我们提供了一扇强大的窗口，可以观察到自然行为以及它是如何在大脑中产生的。
博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《细胞》,《Current Biology》｜研究/来自：马克斯普朗克协会，RIKEN，DOI: 10.1016/j.cell.2018.06.020，DOI: 10.1016/j.cub.2018.06.005
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