20210815

當雄果蠅未處於求偶狀態時,就算雌果蠅在附近也無動於衷,一旦進入求偶狀態,雄果蠅則會積極地追逐雌果蠅,並揮舞單邊翅膀,科學家描述這是首「求偶之歌」[1]。同樣看見雌果蠅,卻表現出兩種不同的行為,代表果蠅大腦有著不一樣的內在狀態,過去的研究中發現,活化P1神經元能夠讓果蠅進入性喚起狀態 (sexual arousal state),展現出求偶行為。而此篇來自洛克菲勒大學的研究更發現了P1神經元會調控LC10a視覺神經迴路,因此即使接收到相似的視覺訊號,求偶行為也會受到當下P1神經元的活性高低而影響,研究成果發表在Nature期刊。

對虛擬果蠅展現求偶行為

過去研究中有個有趣的發現,在求偶狀態下的果蠅,就算不是對真實果蠅,也會表現出求偶行為。因此,研究團隊將雄果蠅置於一個環型螢幕中,以黑色圓球代表虛擬雌果蠅,透過圓球的左右移動、放大縮小,可以模擬虛擬果蠅的行走軌跡,同時分析雄果蠅腳下浮球的轉動,也可以得到雄果蠅移動軌跡 (Fig. 1)。

見 Fig. 2.,以光遺傳學法刺激P1神經元,誘發果蠅進入性喚起狀態,可以清楚看見雄果蠅表現求偶行為,追逐著虛擬果蠅。除了直接刺激之外,自然狀況下,雄果蠅會接收到雌果蠅的費洛蒙,活化P1神經元,但先前研究發現,費洛蒙並不是必要元素,因此在這個研究中,讓圓球移動軌跡足夠像真實的果蠅 (Fig. 3),也可以成功活化P1神經元!

Fig. 1. 實驗裝置 (原論文 Fig. 1a)

Fig. 1. 實驗裝置 (原論文 Fig. 1a)

Fig. 2. 以光遺傳學方法驅動果蠅進入求偶狀態 (原論文 Fig. 1b)

Fig. 2. 以光遺傳學方法驅動果蠅進入求偶狀態 (原論文 Fig. 1b)

Fig. 3. 模擬真實果蠅軌跡 (原論文 Extended Data Fig. 4j)

Fig. 3. 模擬真實果蠅軌跡 (原論文 Extended Data Fig. 4j)

P1神經元調控LC10a神經元

為了證明P1、LC10a神經活性與求偶行為的關聯性,研究團隊同時記錄這些神經的螢光變化,並且用前述模擬真實果蠅軌跡的方式,讓雄果蠅進入性喚起狀態。

見 Fig. 4,黑線 (Target angle) 代表圓球水平移動的角度,可以想像成在螢幕上順時鐘、逆時鐘游移,約在20s的地方圓球開始移動,雄果蠅也開始表現出求偶行為,可以從 Fig. 4 最下方頭轉動的速度圖 (ΔHeading) 看出追逐著圓球的樣子,正/負值分別代表向右/左轉。

Fig. 4 中間兩條螢光變化曲線 (ΔF / F0) 則分別代表P1和LC10a神經元的活性 (此處僅呈現單側的LC10a,因此可看到LC10a活性會和頭轉動一樣表現出震盪)。主要有兩個重點:(1) P1、LC10a活性呈正相關。(2) P1的活性影響了求偶行為的表現強度,例如中間約70s之處,P1活性相當低,果蠅頭轉向的幅度也比較小,或幾乎沒有動作,值得注意的是,圓球如常往復運動,代表傳入的視覺訊息不變,但此時LC10a的活性受P1調控而處於相對低點。

Fig. 4. P1神經元、LC10a神經元活性變化具相關性 (原論文 Fig. 3a)

Fig. 4. P1神經元、LC10a神經元活性變化具相關性 (原論文 Fig. 3a)

結語

根據研究結果,P1活性代表了雄果蠅的性喚起狀態,Ruta 教授說:「這使得果蠅能夠在合適的時機求偶,而非總是維持在此狀態下。」,飢餓、疲勞程度皆可能影響果蠅的求偶行為,P1似乎扮演了整合周遭環境訊息、果蠅生理狀況的角色,進而決定是否進行求偶 [2]。另外,P1和LC10a神經元,並不是直接的上下游關係,中間神經訊息如何傳遞,仍有待後續的研究揭開奧秘!