Science Advances：发育过程中的温度影响神经元和行为之间的连通性

诸如昆虫、鱼类和爬行动物等变温动物的发育速度是由环境温度决定的。德国美因茨约翰内斯·古腾堡大学（JGU）的一个研究小组最近展示了温度如何影响果蝇的大脑发育。他们发现黑腹果蝇的大脑中有更多的突触和突触后伴侣，这与蛹发育过程中较低的环境温度有关。

　　

环境温度对果蝇的脑发育和行为有影响。美因茨约翰内斯古腾堡大学（JGU）的一个研究团队最近展示了温度如何影响果蝇的脑发育。“在我们研究的大脑区域中，神经元在较低温度下形成了更多的突触，并与更多的突触伙伴相连。”JGU发育生物学和神经生物学研究所团队负责人卡尔洛塔·马特利博士说。在他们的研究中，科学家们专注于黑腹果蝇的嗅觉回路，因为嗅觉决定了这些果蝇的重要行为模式，并对其生存至关重要。他们发现，昆虫在蛹阶段暴露的温度不仅影响大脑发育，还影响气味驱动的行为。

温度是影响生物体生物学的环境因素中影响范围最广的一个，因为它决定了所有生物物理反应的速率。一方面，发育在较高温度下更快，而温度同时也可以影响动物行为。例如，在蜜蜂中，环境温度的微小变化可以影响大脑中负责学习的关键区域。深入了解温度与发育之间的相关性，对于预测温度变化对野生动物行为的影响以及更好地理解变温动物（即体温可变的动物）的发育过程至关重要。

在黑腹果蝇的情况下，几年前发现，当它们在发育过程中处于较低温度时，视觉系统中神经元之间的突触数量会增加。卡尔洛塔·马特利博士的团队现在决定研究昆虫的嗅觉回路，并确定不同温度的影响。为此，果蝇在蛹阶段（即从幼虫阶段到成虫出现之间，大脑布线发生在这个阶段）分别在18摄氏度或25摄氏度下发育。马特利及其团队利用遗传技术检测成年果蝇大脑中特定类型神经元的突触伙伴。统计显示，在18摄氏度下发育的动物比在25摄氏度下发育的果蝇多出两倍以上的突触后神经元。在昆虫大脑的嗅觉回路的所有层面上，都出现了更多的连接。

“为了解释这一结果，我们提出了一个基于假设昆虫身体整体生长和大脑发育的代谢条件略有不同的理论。”马特利补充说，她的研究结合了理论物理和神经生物学。换句话说，神经元中的代谢过程与身体其他细胞中的代谢过程略有不同。马特利及其团队假设，在较低温度下，大脑中的代谢过程比身体其他部位更快。“我们已经在其他实验中证实了我们的理论猜想。”马特利说。然而，支持这一关于代谢作用的假设的直接证据仍然缺乏。研究人员目前正在分析发育过程中相关基因的表达，以寻找答案。

此外，研究人员报告说，如果在蛹阶段降低温度，这会影响成年果蝇的气味驱动行为。为了实验，10天大的果蝇暴露于少量丁酮，这是一种具有刺鼻气味的液体，能吸引昆虫。在蛹阶段在18摄氏度下发育的果蝇比在25摄氏度下发育的蛹果蝇对这种气味表现出更大的吸引力。

“尽管在较低温度下发育的果蝇大脑连接性更强，但它们似乎并没有更好的或更强的气味感知能力。”马特利指出。“神经元活动的测量显示，大脑中相当于人类嗅球的那部分区域的气味表征没有变化。因此，我们得出结论，行为变化很可能归因于控制先天行为的大脑下游区域的连接性。”马特利总结道。

该研究由德国研究基金会（DFG）通过“鲁棒电路——从不精确到神经回路组装的鲁棒性”研究单元（FOR 5289）以及2024年初在美因茨约翰内斯古腾堡大学成立的定量和计算生物科学研究所（IQCB）资助。相关文章已发表在《科学进展》上。