周启涛生物技术工作室
神经科学2024/11/20· 编译自 Nature

IF50.5｜社会状态通过三种环路机制改变果蝇视觉

攻击状态下的雌蝇利用连接组推断出的三种环路机制，选择性放大对同类视觉信号的响应。

攻击状态下的雌蝇利用连接组推断出的三种环路机制，选择性放大对同类视觉信号的响应。

这篇按生信解读号的读法拆：先看背景和问题，再看作者怎么做、做出了哪几条硬发现，最后把数据和代码收走。

研究背景

动物常被大量视觉信息轰炸，必须根据当前需求优先处理特定视觉特征。检测和传递视觉特征的神经环路已被广泛研究，但动物如何随目标或环境变化调整视觉注意力却知之甚少。果蝇是研究状态依赖性视觉处理的理想模型，其视觉投射神经元（VPNs）计算特定视觉特征的存在和大致位置，并将信息从视叶传递到中央脑。其中，LC9、LC10a和LC11等小叶柱状（LC）神经元对果蝇大小的移动物体敏感，参与对同类的追踪。先前研究表明，雄性求偶时LC10a对果蝇大小物体的反应显著增强，且激活P1神经元可提高LC10a的敏感性，提示觉醒状态可调制视觉处理。雌蝇中，aIPg细胞类型（约9-12个细胞）的激活可产生急性攻击行为和持续的攻击状态，且aIPg向多个LC10组细胞类型提供兴奋性输入，暗示其在视觉信息门控中的作用。

科学问题

卡在哪里： 尽管已知aIPg激活可引发雌蝇攻击行为，且aIPg与LC10s存在连接，但aIPg如何具体调节视觉信息流以支持攻击行为，其背后的环路机制尚不清楚。雄性中P1对LC10a的调制机制也因缺乏全脑环路图而未解。

本文要回答： 本文旨在利用雌蝇连接组，揭示aIPg在攻击状态下调节视觉处理的环路机制，并检验这些机制是否在雄性求偶中保守。

技术路线

作者主要用了：连接组分析、行为学、双光子钙成像、电生理、光遗传学、热遗传学。

作者首先利用雌蝇连接组数据，系统分析aIPg与视觉投射神经元（VPNs）的共同下游靶点，发现aIPg与LC10s共享大量靶点，且这些靶点同时接收视觉和内部状态输入。随后，通过行为学实验验证视觉在aIPg诱导攻击中的必要性，并利用细胞类型特异性遗传工具结合行为学和神经生理学分析，逐一检验从连接组推断出的三种环路机制：兴奋性输入汇聚、树突去抑制和切换开关。最后，在雄性果蝇中测试TuTuA开关在求偶追踪中的作用，以评估机制的保守性。

Fig. 1 · 原文图，按文末许可署名使用
Fig. 1 · 原文图，按文末许可署名使用

图 1　Fig. 1。图1展示了aIPg调节视觉信息流的三种环路机制：兴奋性输入汇聚、树突去抑制和切换开关。图中概括了aIPg如何通过这些机制影响LC9、LC10s和LC11等视觉投射神经元的信号传递。

核心亮点

亮点 1｜视觉对攻击行为至关重要

通过norpA突变消除雌蝇视觉后，激活aIPg不再引发长时间攻击互动，即使发生身体接触。这证实视觉线索在aIPg诱导的攻击中不可或缺。

Fig. 2 · 原文图，按文末许可署名使用
Fig. 2 · 原文图，按文末许可署名使用

图 2　Fig. 2。图2显示了aIPg与LC10组细胞类型的共享下游靶点。每个靶点用圆圈表示，直径代表接收的LC10s突触总数，饼图显示各LC10s的贡献比例。插图展示了aIPg和LC10s在AOTU023上的突触分布。

亮点 2｜aIPg与LC10s共享下游靶点

连接组分析显示，aIPg与8种LC细胞类型共享下游靶点，其中与LC10s共享最多。23种细胞类型接收超过25%的LC10s输入，约一半也接收超过2%的aIPg输入。这些共享靶点可能整合攻击状态与视觉信息。

Fig. 3 · 原文图，按文末许可署名使用
Fig. 3 · 原文图，按文末许可署名使用

图 3　Fig. 3。图3展示了LC9和LC10a对不同尺寸移动暗矩形的钙反应热图。LC9偏好约4.5°宽的小物体，而LC10a偏好15-30°的较大物体。还显示了LC10a和LC10c的输入差异，以及攻击和求偶期间果蝇所经历的视觉特征。

亮点 3｜LC10a在雌蝇攻击中必需

行为学实验表明，在aIPg激活期间光遗传学沉默LC10a显著降低攻击行为，包括触碰等组分；而沉默LC10bc、LC9或LC11无此效果。沉默LC10a还导致果蝇间距离增大，表明LC10a在雌蝇攻击中参与视觉运动追踪。

Fig. 4 · 原文图，按文末许可署名使用
Fig. 4 · 原文图，按文末许可署名使用

图 4　Fig. 4。图4展示了IB112的形态及其在视叶中的突触分布。IB112向Li22提供大量突触，Li22又向LC10s树突提供抑制性输入。行为学数据显示沉默IB112降低攻击行为。

亮点 4｜IB112介导树突去抑制

IB112是aIPg的第二大下游靶点，其输出主要位于视叶小叶。IB112向小叶内神经元Li22提供大量突触，Li22又向LC10s树突提供抑制性输入。沉默IB112降低攻击行为，提示aIPg通过IB112-Li22通路解除对LC10s树突的抑制，增强视觉信号传递。

Fig. 5 · 原文图，按文末许可署名使用
Fig. 5 · 原文图，按文末许可署名使用

图 5　Fig. 5。图5展示了aIPg、TuTuAs、LC10a和LC10c之间的连接。TuTuA_1主要抑制LC10c，TuTuA_2主要抑制LC10a。aIPg激活TuTuA_1并间接抑制TuTuA_2，从而切换LC10a和LC10c的活性。

亮点 5｜TuTuA神经元构成切换开关

连接组和功能实验表明，aIPg激活兴奋TuTuA_1（抑制LC10c）并通过SMP054抑制TuTuA_2（解除对LC10a的抑制），从而在LC10a和LC10c之间切换视觉信息流。行为学实验支持该模型：沉默TuTuA_1或激活TuTuA_2均降低攻击行为，而沉默TuTuA_2增加攻击。

亮点 6｜TuTuA开关在雄性求偶中保守

在雄性果蝇追踪虚拟雌性时，TuTuA_1活性上升而TuTuA_2活性下降，与雌蝇攻击中的模式一致。这表明相同的TuTuA介导开关可能在两性社会行为中门控视觉处理。

生信可带走

这一块是给做分析的人用的，不是科普点缀。

带走一句

连接组推断与功能验证相结合，可高效揭示状态依赖性感觉调制的环路机制，为解析复杂行为背后的神经计算提供范例。

本页供学习交流，不替代原文，也不代表原作者、期刊或资助方立场。引用科学结论请以正式发表版本为准。 图表按 CC BY（可转载，需署名） 使用。 版权声明

微信二维码

需要同类分析？扫码加微信，一对一沟通需求，交付后终身售后。

添加微信

需要同类分析？扫码加微信，一对一沟通需求，交付后终身售后。