果蝇多模态信号交流的神经环路机制：环境依赖的行为协调与共享电路基础

《Nature Communications》：A neural circuit for context-dependent multimodal signaling in Drosophila

本研究揭示了果蝇求偶过程中多模态信号（空气传播的歌声和基质传播的振动）协调的神经机制。研究人员发现，先前被认为是"歌声神经元"的P1a和pC2l神经元通过共享环路驱动两种信号，并利用互抑制和递归等基本环路 motifs 实现环境依赖的信号选择。该研究阐明了动物如何通过简单神经元件组合实现复杂多模态行为协调，为理解大脑跨物种多模态交流提供了新范式。

　　

在动物王国中，社交交流往往通过多模态信号呈现，如同人类交谈时不仅通过语言，还辅以丰富的面部表情和肢体动作。这种多模态协调能显著提升信息传递效率，而单一模态的交流（如电话通话）则可能削弱沟通效果。尽管多模态交流在自然界普遍存在，从猴子的表情声音组合到鸟类求偶展示，再到昆虫的声音与振动信号并用，但大脑如何整合外部线索和内部状态来协调这些复杂行为的神经机制仍不清楚。

以黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）为模型，本研究深入探索了多模态信号协调的神经基础。雄性果蝇在求偶过程中会追逐雌性，同时产生两种截然不同的信号：通过翅膀振动产生的空气传播歌声（song）和通过腹部颤抖产生的基质传播振动（vibration）。尽管这两种信号都能影响雌性交配行为，但它们何时、如何被选择及协调的机制一直是未解之谜。

研究团队首先开发了能同步记录歌声和振动的行为腔室，通过高分辨率视频追踪和音频分析，发现雄性果蝇在不同行为背景下偏好使用不同信号。当雌雄果蝇距离较近且处于运动状态时，雄性倾向于演唱歌声；而当双方静止且距离较远时，则更多使用振动信号。这种信号选择并非随机，而是高度依赖 locomotion（运动状态）和社交距离等环境因素。

通过光遗传学操控雌性运动行为，研究人员证实静止状态是振动产生的必要且充分条件：抑制雌性运动神经元（vGlut-GtACR1）可使振动概率增加30%，而激活促进运动的DNp28神经元则几乎完全抑制振动。这表明信号选择与运动状态的协调确保了振动信号的有效传输——当果蝇静止时，其腿部与基质充分接触，有利于振动的传播和接收。

神经机制层面，研究聚焦于已知控制歌声产生的关键神经元：中央脑的P1a和pC2l神经元。令人惊讶的是，激活这些"歌声神经元"不仅能诱发歌声，还能驱动振动信号，表明多模态信号由共享神经环路控制。具体而言，P1a神经元激活主要诱发持久振动（持续数十秒），而pC2l神经元激活则优先诱发歌声，并在刺激偏移后出现短暂振动。这种细胞类型特异的动力学反映了下游连接差异：pC2l通过直接连接至下降神经元pIP10驱动歌声，而P1a可能通过未知的振动下降神经元（DNvib）控制振动。

进一步实验揭示了环路协调的关键motif：互抑制（mutual inhibition）。在求偶雄性中激活P1a神经元会强烈抑制歌声，而激活pC2l神经元则抑制振动，这种相互拮抗确保两种信号很少重叠。此外，递归网络（RNN）下游的P1a神经元维持持久活动，使信号在社交线索消失后仍能持续，体现了内部状态对行为的调控。

性饱足（sexual satiation）实验表明，动机状态通过调控P1a神经元兴奋性，全局影响多模态信号的持久性，凸显共享环路便于全局调控的优势。最后，研究人员构建的计算模型成功复现了实验观察到的行为动力学，证实所提出的环路结构——包含前向兴奋、递归和互抑制等基本元件——足以解释多模态信号的产生和协调。

该研究不仅揭示了果蝇多模态交流的神经机制，更提出了协调复杂行为的通用环路原理。这些发现为理解其他物种（包括哺乳动物）的多模态行为提供了进化视角，确立果蝇为研究多模态交流的理想模型系统。

关键技术方法

研究采用同步音频-视频记录系统，结合计算机视觉（SLEAP姿态追踪）解析求偶行为；通过光遗传学（CsChrimson激活、GtACR1抑制）操控特定神经元（P1a、pC2l、pIP10、pMP2、DNp28等）和运动神经元活性；利用广义线性模型（GLM）量化行为线索对信号选择的预测力；基于果蝇雌性脑连接组（flywire）数据追踪神经元连接；构建率基神经网络模型模拟环路动力学。

雄性果蝇在求偶过程中动态切换歌声和振动

通过同时记录歌声和振动，研究发现雄性振动行为（24%）比歌声（sine 6% + pulse 8%）更频繁，且振动序列持续时间更长。尽管19%的振动发生在翅膀伸展时，但歌声与振动同时发生的情况仅占1%，表明雄性有意识避免信号重叠。信号间转换分析显示，歌声模式（sine与pulse）间转换更频繁（26%），而歌声与振动间转换较少（7%），且振动前常伴有约1秒停顿，提示二者处于不同行为背景。

运动状态和雌性距离决定信号选择

广义线性模型拟合19种行为线索（如运动速度、加速度、距离等）预测雄性信号选择，发现振动最佳预测因子为雄性或雌性运动速度（准确率83-92%），而歌声最佳预测因子为距离（71%）。运动滤波器显示，高速运动促进歌声，静止促进振动；距离滤波器表明，近距离促进歌声，远距离促进振动。这揭示信号选择与运动状态的适应性协调：振动仅在静止时产生以确保有效传输，而歌声在追逐时产生以影响雌性行为。

中央"歌声"神经元以复杂动力学驱动歌声和振动

光遗传学激活显示，下降神经元pIP10和pMP2仅驱动歌声，而中央脑神经元P1a和pC2l能驱动多模态信号：P1a激活强烈诱发振动（35/35只雄性），pC2l激活主要诱发歌声但偏移后出现振动。信号动力学差异反映下游连接：P1a通过直接和间接（经RNN）连接驱动持久振动，pC2l通过直接连接至pIP10驱动歌声，并通过弱连接至P1a诱发偏移振动。

中央P1a神经元共同控制雄性运动和振动

P1a激活可诱导运动停止（locomotor arrest），但仅60%静止个体产生振动，表明P1a并行控制运动状态和振动模式，而非振动程序本身必然导致停止。这种协调确保振动在适宜传输的运动背景下产生。

互抑制协调歌声和振动

在求偶雄性中激活P1a显著抑制歌声，激活pC2l抑制振动，揭示下行通路间存在互抑制。该motif减少信号重叠，与自然行为中低重叠率（1%）一致，可能通过下降神经元或腹神经索（VNC）中互抑制实现。

环路动力学偏置信号产生并可被雌性线索覆盖

光遗传激活在社交线索缺失时诱发强烈自主动力学（如P1a后的持久振动），但在求偶背景下，社交线索可覆盖此偏置，使信号动态适应环境。

歌声和振动受共同动机控制

性饱足降低P1a和pC2l激活所诱发的信号持久性，表明动机状态通过共享环路全局调控多模态信号。

多模态信号的神经环路模型

计算模型整合直接连接、递归网络和互抑制等motif，成功复现P1a和pC2l激活的行为动力学。模型证实递归网络维持持久信号，互抑制减少信号重叠，动机状态调控信号持久性。

结论与意义

本研究揭示果蝇多模态信号协调的神经机制，阐明共享环路如何通过基本motif（前向兴奋、递归、互抑制）实现环境依赖的行为选择。P1a神经元整合运动控制和信号产生，确保振动在适宜传输背景下产生；互抑制避免信号干扰；递归网络维持持久内部状态。这些原理可能普遍存在于动物界，如果蝇中解析的微观环路机制为理解更复杂大脑中的多模态行为提供框架。研究确立果蝇为研究多模态交流的模型，为探索人类交流障碍的环路基础提供新视角。