果蝇DNp03下行神经元作为飞行急转网络中的枢纽介导碰撞规避行为

《Immunity》：Drosophila DNp03 descending neurons serve as a hub within a flight saccade network

本研究针对动物如何通过快速感觉运动整合实现碰撞规避这一核心问题，以果蝇为模型，揭示了下行神经元DNp03在视觉信息处理与飞行急转行为中的枢纽作用。通过连接组学分析、电生理记录和光遗传学操控，作者发现DNp03特异性响应逼近物体（looming stimuli），通过直接及间接调控翅膀运动神经元和颈部运动神经元，协调双侧翅膀振幅差异以驱动急转弯；同时抑制着陆行为通路，确保行为选择的特异性。该研究首次绘制了从视觉输入到运动输出的完整神经通路，揭示了下行神经元网络的层级结构和功能冗余性，为理解生物运动控制的普遍原则提供了重要依据。

　　

在自然界中，快速躲避迎面而来的威胁是动物生存的关键能力。当一只果蝇在空中飞行时，若突然出现一个逼近的物体，它能在毫秒级时间内完成急转弯（saccade）以避免碰撞。这一看似简单的行为背后，涉及视觉信息检测、神经信号整合和运动指令输出的精密协调。然而，科学家们长期以来困惑于：大脑如何将“有物体逼近”这一视觉信号转化为精准的转向动作？尤其是哪些神经元负责整合视觉信息并下达转向命令，以及这些指令如何协调翅膀和头部的运动？尽管此前研究已发现部分参与急转的下行神经元（Descending Neurons, DNs），如DNa15和DNb01，但它们并未直接接收来自视觉投影神经元（Visual Projection Neurons, VPNs）的逼近信号，表明在视觉输入与运动输出之间存在关键环节的缺失。

为填补这一空白，由Catherine R. von Reyn领导的团队在《Current Biology》上发表研究，聚焦于果蝇的一对下行神经元DNp03。通过整合电子显微镜连接组学（connectomics）、在体电生理记录、光遗传学操控以及行为分析，作者系统阐明了DNp03在碰撞规避行为中的核心作用。研究发现，DNp03不仅直接响应逼近视觉刺激，还作为“枢纽”招募其他下行神经元，共同协调急转行为，并抑制竞争性行为（如着陆）。这一工作首次完整描绘了从视觉特征检测到运动执行的神经通路，揭示了下行神经元网络的复杂层级结构和功能冗余性。

研究的关键技术方法包括：（1）利用果蝇全脑（FAFB）和腹神经索（FANC）电子显微镜数据集进行连接组学分析，重构DNp03的输入输出网络；（2）通过全细胞膜片钳记录DNp03在飞行与非飞行状态下对逼近刺激的电生理响应；（3）采用光遗传学（CsChrimson）在束缚飞行和自由飞行条件下特异性激活或沉默（Kir2.1）DNp03，观察其对翅膀运动振幅（Wing Beat Amplitude, WBA）和头部转向的影响；（4）结合高速摄像和SLEAP（Social LEAP Estimates Animal Poses）算法量化行为 kinematics。

DNp03接收视觉输入并响应逼近刺激

通过分析果蝇全脑连接组数据，作者发现DNp03的树突主要分布在视觉处理脑区（如小叶lobula和小叶板lobula plate），并直接接收来自多个编码逼近信息的VPNs（如LPLC1、LC4）的兴奋性输入。电生理记录表明，DNp03对 ipsilateral（同侧）的逼近刺激表现出强烈且特异的反应，而对平移物体反应微弱。此外，DNp03的活动受行为状态调控：飞行时其静息膜电位升高，对逼近刺激的放电频率显著增加，这一效应可通过外源施加章鱼胺（octopamine, OA）模拟，提示OA在飞行状态下的神经调制作用。

DNp03通过多层级连接驱动急转运动程序

在腹神经索水平，DNp03直接与翅膀运动神经元形成突触连接，包括：

• •
  同侧和对侧的飞行动力运动神经元（DLMNs、DVMNs），调控翅膀上下拍动；
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  对侧的b3MN和i1MN（基底肌和第一腋肌运动神经元），其激活会降低翅膀振幅（WBA）；
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  通过翅膀对侧平衡棒中间神经元（w-cHINs）间接激活同侧b1MN，增加翅膀拍动幅度。
  这些连接共同作用，使得激活一侧DNp03可导致同侧翅膀振幅增加、对侧振幅减小，从而产生向对侧的急转弯。同时，DNp03在脑中直接兴奋其他急转相关DNs（如DNa15、DNb01），并通过抑制性中间神经元（如CB2872）抑制对侧DNs，形成双向运动控制。此外，DNp03通过下游DNs间接调控颈部运动神经元（如CB0935、CvN5），实现急转时的头部稳定。

光遗传学验证DNp03的行为功能

在束缚飞行实验中，单侧激活DNp03可引发果蝇向对侧转向，表现为 ipsilateral WBA 增加、contralateral WBA 减小及头部偏转。而双侧激活DNp03则引起双侧WBA同步增加，但仍能通过维持翅膀振幅差实现转向，自由飞行实验进一步证实该行为伴随俯仰（pitch）、翻滚（roll）和偏航（yaw）运动，模拟了自然状态下对正面逼近的逃避反应。

DNp03在自然逼近引发急转中的必要性

通过沉默DNp03（表达Kir2.1），作者观察果蝇对侧向和正面逼近刺激的行为响应。结果显示，沉默DNp03虽不完全消除急转，但显著削弱了翅膀振幅差，尤其在高速度（r/v=10 ms）逼近时影响更显著，表明DNp03是急转行为的关键推动者，但网络中存在其他DNs（如DNp26、DNp57）可部分补偿其功能。此外，DNp03沉默后果蝇在正面逼近时更易出现腿部伸展（着陆行为），连接组学分析发现DNp03通过抑制性中间神经元（SAD047、PS100）抑制着陆神经元DNp07和DNp10，提示DNp03在行为选择中发挥拮抗作用。

讨论与意义

本研究系统揭示了DNp03作为视觉逼近信息与飞行急转行为之间的核心枢纽，其功能特点包括：

1. 1.
   行为状态依赖性：通过OA能调制，DNp03在飞行状态下被优先激活，确保行为的环境适应性；
2. 2.
   网络层级性：DNp03以“命令级”神经元身份招募下级DNs（如DNa15），强化和扩展运动输出；
3. 3.
   功能冗余与补偿：DNp03缺失时其他DNs可部分代偿其功能，提高行为的鲁棒性；
4. 4.
   行为竞争机制：通过抑制着陆通路，DNp03确保在碰撞威胁下优先选择转向而非着陆。
   这些发现突破了传统“单一神经元必要且充分”的简化模型，强调即使快速、先天的感觉运动转换也依赖于复杂网络。果蝇下行神经元网络的密集互连和层级组织策略，可能为更高等动物运动控制提供普遍原理。