果蝇触角叶的多巴胺能差异调制：嗅觉编码的神经调控新机制

《Communications Biology》：Differential dopaminergic modulation of the antennal lobe of Drosophila melanogaster

本文聚焦果蝇嗅觉初级处理中心——触角叶中多巴胺能调制的未知作用。研究者通过表达谱分析、功能成像和遗传学手段，系统揭示了多巴胺受体在触角叶关键神经元中的广泛表达模式，发现多巴胺以气味依赖性方式差异调制触角叶输出，并鉴定出可向触角叶释放多巴胺的特定神经元。该研究为理解多巴胺在早期嗅觉处理中的精确调控机制提供了重要见解。

　　

在我们周围的世界里，气味无时无刻不在传递着关键信息——从寻找食物、选择伴侣到躲避天敌，嗅觉系统扮演着至关重要的角色。对于果蝇这样的模式生物而言，其嗅觉系统的相对简洁性为研究复杂的神经处理过程提供了独特窗口。果蝇的嗅觉处理始于触角叶，这一结构与哺乳动物的主嗅球具有惊人的相似性。多巴胺作为关键的神经调质，在从线虫到哺乳动物的多种生物中被证明参与早期嗅觉处理，然而，多巴胺在果蝇触角叶中的具体作用机制却长期未知。

尽管早期研究未能在果蝇触角叶中检测到多巴胺信号，但近期证据提示多巴胺可能在这一脑区发挥作用：少数局部神经元被发现表达酪氨酸羟化酶（酪氨酸羟化酶是多巴胺能细胞的标志物）；在喂食多巴胺前体L-DOPA的果蝇触角叶中观察到多巴胺传感器信号增强；单细胞RNA测序研究也在嗅觉神经元中检测到多巴胺受体的表达。然而，多巴胺如何影响触角叶的神经计算这一核心问题仍待解答。

在这项发表于《Communications Biology》的研究中，Gavriel Avishai和Moshe Parnas团队通过综合运用结构成像、体内双光子功能成像和遗传学筛选技术，系统阐明了多巴胺信号在果蝇早期嗅觉处理中的调制作用。

研究者主要采用了以下几种关键技术方法：利用T2A-Gal4系统精确 mapping 多巴胺受体在触角叶各神经元类型中的蛋白表达；通过双光子显微镜记录表达基因编码的cAMP指示剂G-Flamp1或钙指示剂GCaMP系列（GCaMP7b， GCaMP6f）的神经元在药物刺激下的活动；使用新型多巴胺传感器GRAB-DA2监测内源性多巴胺释放；应用稀疏标记技术（如SPARC方法）结合免疫组化鉴定触角叶的多巴胺能神经元；通过特定Gal4驱动子表达嘌呤能受体P2X2或微小RNA（微小RNA）进行功能获得性或缺失性操作。

多巴胺受体在触角叶神经元中广泛表达

研究团队首先验证了四种多巴胺受体在触角叶主要神经元类型中的表达。利用T2A-Gal4系统（该技术通过将受体基因的终止密码子替换为T2A序列与Gal4融合，可在翻译水平反映受体蛋白的表达情况），他们发现DopEcR和Dop1R1在嗅觉受体神经元（ORN）和兴奋性投射神经元（ePN）中高表达，而抑制性局部神经元（iLN）则主要表达DopEcR，低水平表达Dop1R1和Dop2R。ePNs独特地表达所有四种多巴胺受体，包括在ORN或iLN中未检测到的Dop1R2。

多巴胺差异影响触角叶神经元活动

为探究多巴胺的生理效应，研究者在钠通道阻断剂河豚毒素存在下，记录神经元对局部多巴胺刺激的反应。结果显示，多巴胺应用引起所有测试细胞类型（ORN， ePN， iLN）中cAMP的普遍升高，这与Gs偶联的Dop1R1和DopEcR的高表达一致。然而，钙成像揭示多巴胺仅特异性升高ePNs的钙信号，而对ORN或iLN无此效应。这种差异可能源于ePNs特异性表达Dop1R2（Gq偶联，可动员细胞内钙库）或ePNs高表达环核苷酸门控通道（环核苷酸门控通道）亚基，使得cAMP升高能有效转化为钙内流。的确，直接使用毛喉素升高cAMP可在大部分ePN小球中诱发钙信号升高，而在ORN中无此效应。

多巴胺差异调制触角叶小球输出

功能成像记录ePNs对气味（乙酸异戊酯， 3-辛醇， 4-甲基环己醇）的反应发现，多巴胺应用以气味依赖性的方式增强特定小球的反应。例如，对于乙酸异戊酯，DL3， DL1和DL5小球的反应增强；对于3-辛醇，所有记录小球反应均增强；而对于4-甲基环己醇，仅DL1小球反应显著增强。此外，多巴胺还降低了多数小球反应的时间锐度，即延长了反应持续时间。这表明多巴胺对触角叶输出的调制具有刺激特异性。

触角叶中存在多巴胺释放

利用高灵敏度多巴胺传感器GRAB-DA2，研究者发现气味刺激本身未能引起触角叶中可检测的多巴胺释放。然而，局部应用尼古丁（已知可诱导多巴胺释放）则能在ORN、ePN和iLN的神经末梢或突起处引发强烈的GRAB-DA2信号升高，且此效应可被酪氨酸羟化酶抑制剂3-碘酪氨酸所抑制，证实信号源于多巴胺释放。

鉴定支配触角叶的酪氨酸羟化酶阳性神经元

通过免疫染色和稀疏标记技术，研究团队系统鉴定了可向触角叶释放多巴胺的神经元群体。这些神经元包括：被TH-Gal4和R29A07-Gal4标记的PPM1/2簇神经元（如PPM1²01）；表达酪氨酸羟化酶并投射至触角叶的腹外侧局部神经元（vLN），这些神经元可被OK371-Gal4标记；以及两个大型的肽能下行神经元——SIFa（SIF酰胺能）神经元和DNp32神经元，它们在FlyWire连接组中被预测使用多巴胺作为神经递质。此外，研究还确认了先前被认为是血清素能的CSD神经元也表达酪氨酸羟化酶。

内源性多巴胺释放差异增强触角叶输出

为验证内源性多巴胺的功能，研究者在OK371-Gal4神经元中利用微小RNA敲低酪氨酸羟化酶表达以降低其多巴胺合成能力。结果显示，在乙酸异戊酯刺激下，DL1小球ePNs的 odor 反应显著降低，同时时间锐度增加，这与外源性应用多巴胺在该小球观察到的效应相反，表明内源性多巴胺释放以小球和刺激依赖的方式正向调制触角叶输出。

本研究首次对果蝇触角叶中的多巴胺信号进行了全面而深入的表征。研究揭示了多巴胺受体在触角叶神经元中的广泛表达谱，并证明多巴胺能通过升高cAMP和差异性调节钙信号，以小球和气味依赖的方式调制触角叶的输出。更重要的是，研究利用新型基因编码传感器证实了内源性多巴胺可以在触角叶释放，并系统鉴定出多个能够介导此过程的特定多巴胺能神经元群体，包括局部神经元和下行投射神经元。

该研究的发现具有重要意义。首先，它阐明了一种精细的神经调制机制，即多巴胺能根据气味刺激的性质差异性地调整嗅觉通路的增益，这可能有助于动物在不同行为背景下优化其对气味的感知与反应。其次，研究揭示了多巴胺能调制在进化上的保守性，果蝇触角叶与哺乳动物嗅球在结构和功能上的相似性暗示了类似的调制原理可能存在于更高等的生物中。此外，发现特定的腹外侧局部神经元共表达谷氨酸（在果蝇触角叶中为抑制性递质）和多巴胺，为研究快速抑制性神经传递与慢速神经调制的协同作用提供了理想模型，这对于理解脊椎动物嗅觉系统中多巴胺与GABA的共传递现象具有启发意义。最后，该研究为深入探索多巴胺在感觉处理、行为状态依赖的可塑性以及相关神经系统疾病（如帕金森病早期出现的嗅觉障碍）中的作用机制奠定了坚实的基础。