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为探究动物灵活防御行为的神经环路机制，研究人员以果蝇幼虫为对象开展研究。通过多种技术，他们发现二阶中间神经元参与防御行为竞争，且感觉环境可调节其活性。该研究为理解动物防御行为提供了重要依据。
在自然界中，动物们时刻面临着各种危险，为了生存，它们必须迅速且恰当地做出防御反应。然而，长期以来，动物如何灵活地选择不同防御行为，以及背后精确的神经环路机制，一直是科学界的未解之谜。例如，在面对逼近的危险时，有些动物会选择迅速逃离，而有些则会静止不动以躲避敌人的察觉。这种行为选择的差异，究竟是由什么因素决定的呢？为了揭开这层面纱，来自 Université Paris-Saclay 等多个研究机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解动物防御行为的神经基础提供了关键线索。
研究人员运用了多种关键技术方法。在行为学研究方面，通过搭建特殊的装置，结合视频拍摄和 MultiWorm Tracker（MWT）软件，对果蝇幼虫的行为进行精确跟踪和分析 。在神经元功能研究上，采用钙成像技术，实时监测神经元在不同刺激下的活性变化；利用光遗传学技术，精准调控神经元的激活或抑制状态。同时，借助电子显微镜（EM）连接组学，深入剖析神经元之间的连接和信息传递路径。
研究结果
- EM 连接性分析揭示候选二阶中间神经元：研究人员此前已对果蝇幼虫对气吹机械刺激的行为反应进行了研究，发现幼虫会做出包括蜷缩（Hunch）、弯曲（Bend）等五种互斥的躲避动作，并确定了相关的机械感觉网络通路。在此基础上，通过对 Basin-1 和 Basin-2 下游神经元的 EM 连接组分析，发现 A19c、A08m 和 A08x 等神经元可能参与气吹反应。其中，A19c 接收来自 Basin-2 和 Basin-4 的输入，可能抑制蜷缩反应；A08m 和 A08x 接收来自 Basin-1 等的输入，可能促进蜷缩反应。
- 二阶中间神经元参与惊吓和逃避反应：利用高通量行为分析方法和更新的分类方法，研究人员发现，沉默 R11A07 标记的神经元（包括 A19c）会增加气吹刺激下的蜷缩概率，而激活这些神经元则会抑制蜷缩，触发类似逃避的反应，如 C 形和滚动（Roll）。同时，早期 ELs 中的 A08m 和 A08x 对蜷缩行为是必需的，激活早期 ELs 会轻微增加气吹刺激下的蜷缩概率。这表明 A19c 和早期 ELs 中的 A08m、A08x 在惊吓和逃避行为中发挥着不同作用。
- 自动化分类揭示依赖环境的刻板逃避序列：研究人员进一步对 R11A07 驱动的光遗传学激活所触发的逃避序列进行详细分析，发现该逃避序列在不同刺激条件下有所不同。单独光遗传学激活 R11A07 时，幼虫主要表现为 C 形后接滚动；当光遗传学激活与气吹刺激结合时，幼虫除了逃避动作外，还会表现出更多的蜷缩和静态弯曲（Static Bend），且逃避动作中头 - 尾（Head-and-Tail）收缩增多，C 形和滚动减少。
- 感觉环境调节行为竞争：研究发现，不同强度的气吹和光刺激会影响 R11A07>CsChrimson 幼虫的逃避序列。在无光吹刺激时，不同光强度会引发不同的逃避序列；加入气吹刺激后，气吹会抑制滚动，促进头 - 尾收缩，同时增加静态弯曲和蜷缩的概率。这种不同行为之间的竞争取决于 R11A07 神经元的激活水平和气吹刺激强度，且机械感觉和伤害性刺激诱导的行为之间存在相互抑制。
- R11A07 神经元与伤害感受行为的关系：通过实验发现，沉默 R11A07 神经元会减少幼虫对机械伤害性刺激的反应，尤其是滚动行为，但对热伤害性刺激的反应没有影响。这表明 R11A07 神经元对机械伤害性感受行为是必需的。
- R11A07 标记神经元的结构与功能差异：R11A07 驱动标记的胸神经元（TDN）和腹神经元（A19c）在形态和功能上存在差异。TDN 接收来自多个节段的机械感觉输入，可整合感觉信息；A19c 主要接收来自 VNC 中局部和投射神经元的输入。钙成像和 SPARC 实验表明，TDN 促进蜷缩，A19c 促进逃避行为，二者通过不同的突触连接与运动神经元相连，在防御行为中发挥不同作用。
- 防御行为选择的调控机制：研究发现，Basin-2 和 Basin-4 可能通过 A19c 抑制蜷缩反应，而 R11A07 标记的神经元（可能是 TDN）会抑制 Basin 激活所触发的滚动和快速爬行（Fast Crawl）行为。这表明在防御行为选择中，不同神经元之间存在复杂的调控关系。
研究结论与讨论
本研究通过多种先进技术，在行为和神经环路层面深入探究了果蝇幼虫防御行为中惊吓和逃避行为之间的竞争关系。研究人员鉴定出了参与惊吓和逃避行为的二阶中间神经元，明确了感觉环境可通过影响这些神经元的激活水平来调节防御行为。同时，还发现了一个可能参与调节逃避序列的下行神经元 TDN。这些研究结果揭示了动物在面对不同危险时，选择合适防御行为的神经机制，为理解动物行为的灵活性提供了重要的理论基础。这不仅有助于我们深入了解果蝇幼虫的生存策略，也为进一步研究其他动物乃至人类的行为抉择和神经调控机制提供了宝贵的参考，推动了生命科学领域对动物行为与神经科学交叉研究的发展。
