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科研进展

 

清华大学钟毅课题组在Cell Reports杂志发表论文报道果蝇中央脑的扇形体区域在伤害逃避中的作用


  2018年8月8日,清华大学生命科学学院和清华-IDG/麦戈文脑科学研究院钟毅教授研究组在Cell Reports杂志在线发表了题为Fan-Shaped Body Neurons in the Drosophila Brain Regulate Both Innate and Conditioned Nociceptive Avoidance的研究论文,报道了果蝇中央脑中扇形体区域在果蝇伤害逃避中的重要作用。

  生物生存的环境复杂,如果没有完善的对伤害性刺激的逃避机制,动物将很难在危机四伏的环境中顺利存活。对伤害性刺激的逃避包括两个部分,一种是本能的逃避,比如被尖锐的物体刺到,或被灼烧后的逃离;而另一种是习得后的逃避,也就是“吃一堑长一智”,比如小鼠在房间A中总会受到电击,在它脑中就会把本来没有威胁的房间A与电击伤害偶联,就算以后房间A中没有电击,也会像逃避电击一样逃离这里。

  果蝇也存在着这两种逃避。前人在果蝇上对于这个主题的研究主要聚焦在外周神经系统,而对于中枢神经系统如何处理伤害感受信息并指导逃避行为了解甚少。本文作者搭建了基于双光子显微镜的自动刺激、活体钙成像记录装置,将活着的带有钙离子指示蛋白GCaMP3的转基因果蝇后脑开个小窗,记录其对于伤害性电刺激的反应。结果显示位于大脑中间位置的扇形体(Fan-shaped Body,FB)对伤害刺激响应极为强烈。扇形体是一个复杂的多层结构,作者利用多个标记扇形体不同层的品系进一步实验发现,扇形体的不同层对伤害刺激的响应也不相同,腹侧层的响应要远远高于背侧层。


图1 果蝇镜下刺激示意图及对刺激响应结果

  这种响应是否意味着扇形体在果蝇伤害感受处理过程中真的起到作用呢?作者进行了行为学实验证实,扇形体无论在果蝇逃避伤害性的电刺激或热刺激中都是必须的,并且如果不是伤害性的刺激,例如果蝇厌恶的气味,对其的躲避行为就不需要扇形体的参与。而人为的激活扇形体区域,果蝇就会产生逃避的反应,还可以将这种“逃避”进行条件性学习。更进一步,作者发现扇形体不仅仅参与本能的伤害逃避,还参与到习得后的逃避行为。将气味与伤害性电刺激偶联让果蝇进行学习,对于学习后的果蝇,这种气味也带有了“伤害性”的属性,再次面临选择时,扇形体就会参与到逃避行为中来。有意思的是,扇形体的不同层,在本能逃避和习得后逃避中的作用不甚相同。


图2 果蝇扇形体不同层参与不同的逃避行为


  清华大学生命科学学院胡皖桐博士、彭怡晴硕士和博士生孙佳孟为本文共同第一作者,钟毅教授和李乾博士为本文共同通讯作者。本研究感谢王连章老师、张芳、张煦晨博士和赵博涵等提供的帮助。本研究受到国家自然科学基金,国家基础研究项目(973项目)和清华-北大生命科学联合中心的资助。

 




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