生物物理所最新Science文章

来自中科院生物物理研究所，脑与认知科学国家重点实验室（State Key Laboratory of Brain and Cognitive Sciences）等处的研究人员分析了果蝇的趋光性，从而揭示了一种新型神经调控机制，帮助我们更深入了解动物在环境刺激条件下，根据自身的需要所采取的应答策略。这一研究成果公布在Science杂志上。

　　

近日，国际著名刊物Science在线发表了中国科学院生物物理研究所刘力课题组龚哲峰副研究员等人关于发现果蝇幼虫中央脑的两对神经元足以调节果蝇幼虫对于不同光强条件的偏好行为的研究成果,增加这两对神经元的活性会促进幼虫的避光行为，而抑制这两对神经元的活性则能够逆转幼虫的避光行为为趋光行为。这项工作是在偏好行为的神经回路研究中第一次将神经元回路延伸到第三级神经元，为揭示果蝇幼虫光偏好行为乃至于其他偏好行为的神经元机制奠定了重要基础。

偏好行为是动物的最基本行为之一，但是对其神经元回路决定机制的了解却相对很少。在果蝇幼虫的避光行为中，感受光信号的初级感觉神经元和次级视觉信息处理神经元都已经有了一定的了解，但是下游的神经元回路尚不清楚。

经过将近4年的潜心研究和不懈的努力，龚哲峰副研究员等发现果蝇幼虫中央脑的两对神经元足以调节果蝇幼虫对于不同光强条件的偏好行为。通过检验神经元之间的突触位置关系并结合功能钙成像技术，他们发现这两对神经元属于果蝇幼虫视觉信息处理通路的第三级神经元。

动物行为是具有相当灵活性的，可以随着环境，营养状况，年龄等因素的变化而大幅度调整变化。但是，外在和内在的条件是如何改变动物的天性的？其神经基础并没有完全被人们所了解。高等动物包括人类，其行为习性和偏好都会随着外在因素如环境以及内在因素如年龄之类的变化而发生剧烈变化。比如，人类的爱和恨，常常会随着内在和外在的因素变化而发生转化。与此类似，无脊椎动物如果蝇的幼虫，随着年龄的变大，那些年幼时曾经喜欢呆在黑暗处的幼虫在年长后会偏好光线充足的地方。这种行为的变化可能是为了适应自身的需要---年长的幼虫需要离开他们年幼时一直需要的食物（它们呆在食物里面光线不足的地方）而寻找明亮处适合结蛹的地方。

此项工作的研究则表明，果蝇脑中两对神经元控制着避光/趋光这两种行为偏好之间的转换。在果蝇幼虫里面如果抑制这两对神经元的活性，那么即使是年幼避光的幼虫也会变得趋光，而如何是激活这两对神经元的活性，则即便是年长的的幼虫也会变得避光。

这两对神经元，也就是所谓的NP394神经元，直接和控制果蝇节律行为的腹侧神经元形成突触并从那里接受输入，而后者则从幼虫的视觉器官（Bolwig’s organ）那里接受输入。功能钙成像的结果表明敲除腹侧神经元以后，NP394神经元对于视觉刺激的反应更加强烈了，这一方面表明NP394神经元确实是和腹侧神经元之间存在着功能上的联系，另外也表明腹侧神经元对NP394神经元起着抑制的作用，而且腹侧神经元并非是视觉信息进入NP394神经元的唯一通道。

纽约大学的NinaVogt博士和Desplan教授对这项工作的评价是，这项发现“不仅增进了我们对于动物大脑是如何解释视觉线索的理解，同时也向着全面解析环境因素和内在因素影响本能行为的神经基础迈进了一步”。（The finding of Gong et al., advances our understanding of how the animal brain interprets visual cues. It is also a step toward determining the neural basis of how both environmental and intrinsic cues modify innate behaviors）

这项工作所以能够取得不错的进展，良好的大环境和小环境起了重要的作用。大环境方面，国际和国内的同行们慷慨提供了许多实验材料，同时相关研究领域的进展也提供了很好技术支持，使得最新的技术能够被及时的应用于解决实验工作中的问题。小环境方面，实验室多年的积累为取得某一点的突破奠定了良好的基础，组内宽松自由的学术气氛使得最新的技术得到了大胆的实践。作者们共同的辛苦努力和严谨认真的态度则是最具有决定性的因素。此项工作的初稿写成后，多次在准备投稿之时又推迟投稿时间，为的就是尽可能的把问题解释得清楚全面。

龚哲峰副研究员1995－2000年在生物物理研究所郭爱克院士课题组攻读博士学位，2005－2006在美国弗吉尼亚大学做博士后发现inactive 基因参与果蝇的听觉感知，相关内容发表于J  Neuroscience。2006年回国加入生物物理研究所，继续从事果蝇视觉神经回路方面的研究。

原文摘要：

Two Pairs of Neurons in the Central Brain Control Drosophila Innate Light Preference

Appropriate preferences for light or dark conditions can be crucial for an animal’s survival. Innate light preferences are not static in some animals, including the fruit fly Drosophila melanogaster, which prefers darkness in the feeding larval stage but prefers light in adulthood. To elucidate the neural circuit underlying light preference, we examined the neurons involved in larval phototactic behavior by regulating neuronal functions. Modulating activity of two pairs of isomorphic neurons in the central brain switched the larval light preference between photophobic and photophilic. These neurons were found to be immediately downstream of pdf-expressing lateral neurons, which are innervated by larval photoreceptors. Our results revealed a neural mechanism that could enable the adjustment of animals’ response strategies to environmental stimuli according to biological needs.

作者简介：

刘力

简历 & 研究组工作摘要：
　　　 1989年 毕业于南开大学
　　　　1996年 在生物物理研究所获得博士学位
　　　 1997年 获洪堡奖学金在德国维尔兹堡大学做博士后
　　　 1999年至今 入选中科院“****”，生物物理研究所工作，研究员。脑与认知科学研究中心副主任。中国生物物理学会常务理事，《生化与生物物理进展》常务编委

　　　 主要研究方向：以果蝇为模型，在“基因、脑、行为”的框架下，采用分子遗传学、细胞生物学和行为学相结合的方法，主要研究（1）学习记忆及基本认知过程的细胞分子机制；（2）神经系统特定结构的功能以及与行为的关系。负责承担了科技部973项目子课题、国家基金委杰出青年基金项目和中国科学院知识创新方向性项目等。

　　　 近期（06－07）主要工作和进展：在自然界中，果蝇可以根据图形本身所具有的一些参数，如大小、颜色、重心高度和图形朝向等，来完成对相应视觉图形的识别并形成记忆。但是基于这种图形识别的结构基础是什么，也就是果蝇脑中神经元是如何构成功能回路来完成记忆的，我们却还不了解。最近我们采用遗传学方法将特定的脑结构与功能联系起来，首次证明了果蝇中心脑区－扇形体结构，参与调节视觉图形的识别过程。扇形体内的两层水平平行片状结构由两组神经元的末梢分支构成，它们分别具有记忆图形的重心高度信息和记忆图形朝向信息的功能，从而使果蝇有效地分辨重心或朝向不同的图形。这一发现表明：果蝇个体很小，脑功能却相当复杂，其视觉记忆功能需要脑中特定神经元形成回路来完成。这项工作也使果蝇成为了研究神经结构和功能关系的模型之一。