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本文为神经科学领域果蝇模型新研究者提供成年黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）大脑综述，涵盖结构（如视叶 OL、蘑菇体 MB 等）、神经环路、行为关联及研究资源，助力理解神经机制与跨物种保守性。
果蝇模型在神经科学中的应用价值
黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）是神经科学研究的重要模型，其大脑虽小但具备复杂神经结构与功能。果蝇具有体型小、繁殖周期短、遗传易操作性强等优势，且无需伦理审批，神经系统特征在昆虫至人类等多物种间具有高度保守性，为研究神经机制提供了理想范本。
成年果蝇大脑的结构组成
成年果蝇的神经系统主要包括位于头部的大脑和胸部的腹神经索（VNC），二者共同构成中枢神经系统（CNS）。大脑可分为大脑神经节（CRG）和颚神经节（GNG），包含多种神经纤维网（neuropils）和纤维束。
视叶（OL）是大脑中神经元数量最多的区域，由分层的神经纤维网（如 lamina、medulla、lobula、lobula plate）组成，主要负责视觉信号处理，不同层次处理不同视觉信号，存在视觉信息平行处理通路。
大脑神经节中的触角叶（AL）是嗅觉处理的主要区域，由肾小球组成，嗅觉受体神经元与投射神经元在此交互，将嗅觉刺激整合至大脑高级处理中心。
蘑菇体（MB）是研究最为广泛的结构之一，被认为是果蝇的海马体类似结构，由约 2000-2500 个内在神经元（Kenyon 细胞）组成，分为多个叶和区室，在多感觉信息整合、联想学习（尤其是嗅觉相关学习）和记忆中起关键作用，其结构可塑性受性别、年龄和社会经验等因素影响。
中央复合体（CX）由约 3000 个神经元组成，与蘑菇体相连，参与运动协调和空间导航，可细分为扇形体（FB）、椭圆体（EB）、小结（NO）和 protocerebral 桥（PB）等神经纤维网，负责运动前输出并整合光线信号以控制运动。
此外，大脑中还有一些较不为人知的神经纤维网，如位于颚神经节上方的外侧副叶（LAL）和后坡（PS），前者参与感觉处理和运动协调，后者与飞行行为和对光的反应相关；围食管神经纤维网（PENP）被认为是多感觉信息整合中心，其包含的鞍区（SAD）和触角机械感觉和运动中心（AMMC）负责处理触角的机械感觉输入并通过运动神经元向触角肌肉发送信号。颚神经节则在味觉处理和摄食行为中起重要作用，并整合来自多种内脏器官的输入。
神经递质与神经肽
果蝇大脑中存在多种神经递质和神经肽，它们在神经元通信和生理功能调节中发挥关键作用。
乙酰胆碱、γ- 氨基丁酸（GABA）、谷氨酸等小分子神经递质，以及多巴胺（DA）、5 - 羟色胺（5-HT）、章鱼胺（OA）等单胺类物质，通过突触传递信号。其中，谷氨酸、乙酰胆碱和 GABA 产生神经元在大脑中分布广泛，而单胺能神经元数量较少，呈分散簇状分布，如多巴胺能神经元（DANs）在每个半球分为 8 个簇，约 127 个细胞。
神经肽由前体蛋白加工而成，果蝇中约有 42 个神经肽前体基因，产生如色素分散因子（PDF）、胰岛素样肽（ILPs）等多种神经肽。胰岛素生成细胞（IPCs）位于脑的神经内分泌中心 —— 脑间部，分泌 ILPs，参与调节生长、代谢、寿命等生理过程，其活动受 PDF 调节，PDF 还在昼夜节律同步中起关键作用。
胶质细胞与三联突触
胶质细胞在果蝇大脑中占细胞总数的 10-13%，并非被动支持结构，而是在神经元的结构、代谢、发育和功能等方面发挥积极作用。
表面胶质细胞形成 2-3μm 厚的血脑屏障，将神经系统与血淋巴分隔，包括围神经胶质细胞和亚神经胶质细胞两层。皮质胶质细胞（又称细胞体胶质细胞）包围每个神经元细胞体并包裹整个神经纤维网。神经纤维网相关胶质细胞存在于神经纤维网内，围绕单个神经元突起和突触，包括形成扩散屏障的包裹胶质细胞和类似脊椎动物星形胶质细胞的星形胶质样胶质细胞，后者在三联突触中参与神经递质回收。
胶质细胞的发育受转录因子调控，如神经前体细胞通过表达 “胶质细胞缺失”（gcm）阻止向神经元分化，并通过表达 “反向极性”（repo）最终分化为胶质细胞，但少数胶质细胞如中线胶质细胞和表达 “中脑星形胶质细胞源性神经营养因子”（manf）的细胞不表达repo。
神经环路与行为关联
果蝇大脑的神经环路与行为密切相关，蘑菇体在嗅觉学习和记忆中起核心作用。嗅觉信号通过触角叶的投射神经元传递至蘑菇体的萼部，肯扬细胞通过稀疏编码对输入信号进行扩展编码，形成独特的活动模式，蘑菇体输出神经元（MBONs）将处理后的信息传递至下游环路，引导行为反应。多巴胺能神经元通过调节突触可塑性影响学习，尤其是奖励或惩罚相关的学习。
随着果蝇大脑和腹神经索连接组以及化学连接组的出现，神经环路的研究将加速。连接组绘制物理神经回路，化学连接组绘制化学信号的发射和接收，二者结合可深入解析神经环路的功能。
性别差异与基因调控
果蝇的性别决定由sex-lethal（sxl）基因调控，该基因仅在雌性中表达，其蛋白调节剪接因子，导致doublesex（dsx）和fruitless（fru）基因的雌性特异性剪接变体，介导性别特异性行为和神经环路。
dsx表达神经元参与雄性求偶歌的产生和交配尝试，在雌性中调节性接受性，整合来自雄性的感觉信号（如求偶歌和信息素）。
fru基因在成年果蝇大脑中约有 2000 个表达神经元，其雄性特异性蛋白 FruM参与求偶行为，如产生精确的翅膀振动求偶歌和交配尝试，改变 FruM神经元的传递会导致求偶行为异常。雌性中的 FruM转录本剪接形成无功能的截短蛋白，其 FruM阳性神经元在数量和投射模式上与雄性不同，参与配偶接受性、产卵和信息素检测等行为。此外，fru神经元还与攻击行为和睡眠模式调节有关。
果蝇的行为研究
果蝇表现出从简单反射到复杂认知任务的广泛行为。其嗅觉学习和记忆能力通过将气味与厌恶或奖励刺激关联得以体现，这一过程依赖蘑菇体的信号传导。昼夜节律相关基因（如period和timeless）调控睡眠和摄食等行为。雄性求偶行为是一种复杂的行为序列，受遗传、信息素和经验影响。飞行和视觉行为也得到了深入研究，章鱼胺和酪胺在其中起调节作用。运动和导航行为依赖中央复合体对来自 SEZ 和 VNC 的感觉和运动信号的整合。
利用 FlyWire 连接组等资源，可通过筛选神经元属性（如神经递质类型、神经纤维网参与）搜索相关神经元，结合特定脑区与感觉、运动输出的研究，提出神经环路假设，例如社交距离行为的神经环路涉及视叶、蘑菇体、中央复合体等多个脑区的相互作用。
结论与展望
果蝇研究推动了科学的巨大进步，从染色体与遗传的关联到昼夜节律的发现，均离不开这一模型。尽管果蝇神经环路及其与行为的关联已得到广泛研究，但功能连接组学、化学连接组学以及较不为人知神经纤维网的作用仍有很大研究空间。新兴技术如基因组学、蛋白质组学、先进成像和计算方法（包括机器学习）将加速该领域的发展。将单细胞转录组数据与连接组数据整合，有望进一步深化对果蝇神经功能的理解，并推动跨物种基因组、神经和行为保守性的研究，巩固果蝇作为神经科学模型生物的价值。
