血清素受体异质性表达调控果蝇嗅觉前馈抑制的拓扑组织机制

《Nature Communications》：Differential modulation of feedforward inhibition reflects topographic organization in the olfactory system

本文推荐了一项关于果蝇嗅觉系统中神经调质调控机制的重要研究。为解决血清素（5-HT）如何差异性调节同一类神经元内部不同亚群功能的问题，研究人员开展了针对腹侧投射神经元（v-PNs）5-HT受体表达模式与功能的研究。发现v-PNs异质性共表达多种5-HT受体，且表达不同受体的v-PNs分别投射到触角叶（AL）不同嗅小球和侧角（LH）不同区域，5-HT通过激活不同受体差异性调节v-PNs对气味的反应。该研究揭示了神经调质通过受体表达异质性实现神经元类内功能特化的新范式，对理解神经调制机制具有重要意义。

　　

在大自然中，动物需要根据不断变化的环境条件灵活处理感觉信息。神经系统通过释放神经调质，如血清素（5-HT），来精细调节神经回路的功能，从而帮助动物适应环境。在果蝇的嗅觉系统中，腹侧投射神经元（v-PNs）作为一类提供前馈抑制的GABA能神经元，对于修饰侧角（LH）中的气味表征、支持气味辨别和价态编码至关重要。此前研究多认为，同一类神经元往往均匀表达某种调质受体，从而被整体性调控。然而，近年来有迹象表明，神经元类内部可能存在功能异质性，这引出了一个关键科学问题：在同一类神经元内部，是否存在更精细的调控机制？神经调质能否差异性调节该类神经元中功能不同的亚群？

为了回答这个问题，发表在《Nature Communications》上的一项研究，聚焦于果蝇嗅觉系统中的v-PNs。研究人员发现，作为一个群体，v-PNs表达全部五种昆虫5-HT受体，但令人惊讶的是，单个v-PN会共表达多种不同的5-HT受体，且组合方式多样。这种复杂的受体表达模式暗示，5-HT对v-PNs的调控可能并非铁板一块，而是具有高度的特异性和复杂性。

为了深入探究，研究人员运用了多种关键技术方法。研究综合利用了果蝇遗传学工具（如MiMIC T2A-Gal4、LexA敲入品系和分裂Gal4系统）、多色翻转标记（MCFO）、双光子钙成像、光活化GFP（PA-GFP）技术、杂交链式反应（HCR）进行原位mRNA检测、药理学分析、光遗传学以及基于全脑连接组数据库（Hemibrain）的连接组学分析。这些方法使得研究人员能够在单细胞分辨率下解析v-PNs的受体表达、形态投射、功能反应和连接模式。

血清素受体在v-PNs和lv-PNs中存在异质性共表达

研究首先系统分析了v-PNs和外侧腹侧投射神经元（lv-PNs）中五种5-HT受体（5-HT_1A、5-HT_1B、5-HT_2A、5-HT_2B和5-HT₇）的表达情况。通过使用5-HT受体MiMIC T2A Gal4品系和LexA敲入品系进行交集分析，发现v-PNs广泛共表达多种5-HT受体，但5-HT_2A受体与其他受体（如5-HT_2B和5-HT₇）的共表达程度较低。这种复杂的共表达模式为5-HT差异化调控v-PN亚群提供了分子基础。

表达不同5-HT受体的v-PNs和lv-PNs投射到嗅觉系统内的不同亚区

接下来，研究人员探讨了表达特定5-HT受体的v-PNs是否对应不同的功能单元。通过多色翻转标记（MCFO）技术对单个v-PNs进行稀疏标记，并分析其嗅小球支配模式，发现表达5-HT_1A、5-HT_1B、5-HT_2A、5-HT_2B受体的v-PNs的嗅小球支配模式有较多重叠，而表达5-HT₇受体的v-PNs则显示出不同的模式。层次聚类分析进一步证实，5-HT₇v-PNs自成一簇，与其他受体表达的v-PNs分离。

更重要的是，利用光活化GFP技术标记特定5-HT受体表达的v-PNs，并观察其在高级嗅觉中枢——侧角（LH）的轴突终末分布。结果显示，表达不同5-HT受体的v-PNs在LH的投射区域存在显著差异：表达5-HT_1A受体的v-PNs主要支配LH的腹侧和内侧部分；表达5-HT_1B受体的v-PNs密集支配腹侧LH，并有弥散的背侧投射；而表达5-HT₇受体的v-PNs则主要投射到LH的背侧区域，并紧贴内侧缘。这种在LH的拓扑分布差异强烈提示，5-HT可能通过作用于不同受体，对编码不同气味信息（如价态或类别）的v-PN亚群进行差异化调控。

v-PNs的差异性刺激特异性调制由不同的5-HT受体表达实现

为了验证5-HT是否真的差异性调节不同v-PN亚群的功能，研究人员选定了两个特定的v-PN驱动品系R24H08和R86G06进行深入研究。这两个品系的v-PNs表现出截然不同的特性：R24H08 v-PNs主要表达5-HT_1A和5-HT_1B受体，密集支配VC2和DC3等嗅小球，并投射到LH的腹内侧区域；而R86G06 v-PNs则主要表达5-HT₇受体，稀疏支配20多个嗅小球（仅与R24H08共享VC2），并投射到LH的背内侧区域。通过钙成像技术记录这些神经元对特定气味（如苯甲醛、法尼醇、1-辛烯-3-醇等）的反应，发现5-HT能增强R86G06 v-PNs（表达5-HT₇）的气味诱发反应，而对R24H08 v-PNs（表达5-HT_1A/B）的反应有抑制趋势。利用光遗传学特异性激活脑内唯一的5-HT源——CSDn神经元，模拟内源性5-HT释放，得到了类似的结果：CSDn激活显著增强了R86G06 v-PNs对苯甲醛的反应，而对R24H08 v-PNs的反应影响不显著。

药理学实验进一步证实了这种调控的特异性。应用5-HT₇受体激动剂AS-19能够模拟5-HT对R86G06 v-PNs的增强效应，而在R86G06 v-PNs中敲低5-HT₇受体则消除了5-HT的增强作用。相反，应用5-HT_1A/1B受体激动剂ipsapirone则抑制了R24H08 v-PNs的气味反应，而这种抑制效应在敲低5-HT_1A受体后消失。这些结果清晰地表明，5-HT通过v-PNs上表达的特定受体类型，直接且差异性地调制其功能。

表达不同5-HT受体的v-PNs在其下游靶点中发生分化

最后，一个关键问题是，这些被差异性调制的v-PN亚群，其信息是否最终汇合到共同的下游神经元？研究人员利用果蝇全脑连接组数据库（Hemibrain）对R24H08样和R86G06样的v-PNs进行了连接组学分析。结果发现，尽管这两组v-PNs都主要与LH输出神经元（LHONs）形成突触，但它们各自支配的下游神经元群体几乎不重叠。相关性分析显示，组内v-PNs的下游连接模式高度相关，而组间则无相关性。这表明，表达不同5-HT受体的v-PNs参与的是截然不同的下游嗅觉回路，5-HT的差异化调制效应在LH水平上得以保持分离，从而可能独立地影响不同的行为输出。

研究结论与意义

本研究系统地阐明了果蝇嗅觉系统中，血清素（5-HT）通过v-PNs群体内部异质性的受体表达模式，实现对不同功能亚群的差异性调制。这种“类内异质性”调控机制，使得单个神经调质（5-HT）能够根据行为状态的需要，精细调整嗅觉回路中特定信息通道的增益，而非对整个神经元类进行统一的“开/关”式调控。这种基于受体表达拓扑组织的调制策略，极大地增强了神经回路信息处理的灵活性和复杂性，为理解神经系统如何在微观层面实现高效且特异性的调控提供了新的范式。该研究不仅深化了对嗅觉信息处理机制的认识，也对理解其他感觉系统中神经调质的运作原理具有重要的启示意义。