果蝇腿部本体感觉与外感觉神经环路的分化机制及其行为意义

为解决果蝇腿部机械感觉神经元功能分化的难题，研究人员通过连接组学分析重构了股弦音器(FeCO)感觉神经元的突触环路，发现本体感觉(proprioceptive)的爪/钩神经元与振动感知(exteroceptive)的棒神经元分别形成独立的运动控制与跨肢体整合通路。该研究发表于《Nature Communications》，首次揭示了肢体机械感觉的并行处理机制，为理解无脊椎与脊椎动物体感系统进化提供了新视角。

　　

在复杂行为调控中，神经系统需要持续区分来自身体内部的运动信号(本体感觉)与外界环境刺激(外感觉)。果蝇腿部的股弦音器(Femoral Chordotonal Organ, FeCO)作为最大的体感器官，虽被普遍认为主要监测腿关节运动(本体感觉功能)，但行为学证据暗示其可能同时检测外界振动(外感觉功能)。这种功能二元性的神经机制长期未明，关键在于缺乏对FeCO不同亚型神经元下游环路的系统解析。

华盛顿大学等机构的研究团队Su-Yee J. Lee、Chris J. Dallmann等结合FANC和FlyWire连接组数据集，首次完整重构了果蝇前左腿FeCO感觉神经元的突触网络。研究发现：1) 编码关节位置/运动的爪(claw)和钩(hook)神经元主要连接局部运动控制环路，证实其本体感觉功能；2) 振动敏感的棒(club)神经元则通过跨节段环路整合多肢体信息并上传至脑区，与触角机械感觉通路汇聚，揭示其外感觉功能；3) 棒神经元的突触连接呈现频率拓扑分布，暗示振动信息的空间编码机制。该成果发表于《Nature Communications》，为理解肢体机械感觉的并行处理提供了范式。

关键技术包括：1) 利用电子显微镜连接组学(FANC和FAFB数据集)重构T1L腿FeCO神经元及其突触伙伴；2) 基于钙成像数据的功能亚型分类；3) 通过突触权重和神经递质预测(基于发育谱系)解析环路功能；4) 跨VNC-脑区环路追踪。

FeCO轴突在连接组中的重构与鉴定
研究团队在FANC数据集中重构了80个T1L腿FeCO轴突，占该器官神经元总数的50%。通过比较光镜图像与形态特征，将其分为5个功能亚型：伸展/屈曲编码的爪神经元、伸展/屈曲编码的钩神经元以及双向振动敏感的棒神经元。值得注意的是，棒神经元中存在5个向脑区投射的轴突，为后续发现其跨模态整合功能奠定结构基础。

爪/钩与棒轴突的下游连接特异性
突触连接分析揭示显著分化：爪/钩神经元73%的输出突触靶向局部VNC中间神经元和运动神经元，符合本体感觉反馈需求；而棒神经元54%的突触连接跨节段神经元，15%直接靶向上传神经元。发育谱系分析进一步显示，棒神经元偏好靶向OA/0B、8B等特定谱系，这些谱系神经元在脑区与触觉环路整合。

运动控制环路的模块化组织
通过"运动影响评分"量化发现，爪/钩神经元通过单突触-三突触路径对胫骨伸/屈运动模块产生强效兴奋/抑制调控，且每个中间神经元通常仅接收单一FeCO亚型输入并调控单一运动模块。棒神经元则通过弱连接间接影响控制抓握的长肌腱肌(LTM)运动神经元，可能介导振动诱发的冻结反应。

棒神经元的频率拓扑与跨肢体整合
空间分析表明，棒神经元沿VNC背腹轴形成三个突触连接簇，与先前记录的振动频率拓扑梯度一致。跨肢体(T1L与T2R腿)重构显示，相似空间位置的棒神经元共享下游伙伴，提示频率信息在跨肢体环路中保持编码一致性。8B和10B中间神经元构成的复发性网络进一步支持振动信号的时空整合。

脑区的多模态感觉整合
通过FlyWire脑连接组追踪，发现棒神经元及其下游8B/10B中间神经元主要投射至前腹外侧原脑(AVLP)、楔形区(WED)等区域，与触角约翰斯顿器官(JON)的听觉通路形成汇聚。这些脑区45%的突触伙伴同时接收腿和触角输入，为振动信号的环境定位提供神经基础。

该研究系统揭示了FeCO不同亚型神经元通过分化的神经环路实现本体感觉与外感觉功能的并行处理：爪/钩神经元构成快速运动反馈的基础，而棒神经元形成跨肢体振动感知通路。这种功能分离与哺乳动物Pacinian小体-下丘脑外侧通路的相似性，提示肢体振动感知可能具有跨物种保守的神经原理。研究建立的果蝇体感连接组框架，为未来探究机械感觉的行为调控、运动障碍的环路机制等提供了重要工具。连接组学与功能分析的结合策略，也为解析其他复杂感觉系统的"一个器官-多重功能"难题提供了方法论参考。