社会隔离导致果蝇行为异常并降低脑内突触蛋白水平

《Biology》：Social Isolation Causes Behavioural Abnormalities and Reduces Synaptic Proteins in the Brains of Drosophila

　　

社会隔离已知会在许多不同物种中引起多种行为异常。本研究在圆形竞技场中对慢性社会剥夺如何改变果蝇（Drosophila melanogaster）的行为进行了详细的行为学分析。研究人员利用先前建立的cTrax和MATLAB BehavioralMicroarray工具包，确定了能够捕获目标行为的特定、可量化指标。社会隔离的果蝇在几乎所有评估指标中均表现出行为改变，揭示了范围出乎意料地广泛的行为缺陷。研究人员观察到，隔离的雄性和雌性果蝇均表现出运动能力下降（步行距离和速度降低），对同性别个体的回避倾向增强（社交距离增加），以及同性别群体聚集行为减少。由于这些社会性指标是在同性别群体中评估的，因此它们与性动机无关。在大多数指标中，隔离的雄性和雌性果蝇表现出相同的行为变化。在大脑层面，研究人员观察到社会隔离导致多巴胺神经元内以及两性全脑范围内的突触蛋白减少，这与社会隔离后观察到的多种行为异常相一致。

论文解读

一、研究背景与意义

孤独感与社会隔离已被证实与人类焦虑、抑郁和痴呆等心理及生理健康问题密切相关。尽管数十年来，在人类和动物模型中的研究均表明社会剥夺会引发深刻的行为改变，但隔离如何改变大脑神经元进而影响行为，其机制至今仍是一个谜。社会隔离在人类、啮齿动物和黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）中均会减少睡眠、导致异常社会行为（包括攻击性增强），隔离果蝇还表现出寿命缩短。果蝇具有社会性，偏好社会刺激、自发聚集、表现集体觅食和社会学习行为，加之其神经连接组图谱的完善和丰富的遗传工具，使其成为研究社会隔离神经机制的理想模式生物。既往研究提示隔离果蝇脑内多巴胺浓度降低，且社会接近行为依赖于多巴胺系统的正常功能，但社会隔离如何影响神经元通讯以改变行为，仍缺乏系统研究。基于此，本研究旨在通过详细行为学分析，系统揭示慢性社会隔离对果蝇社会与非社会行为的影响，并探究其脑内突触蛋白的变化，以阐明社会隔离影响行为的神经基础。

二、研究内容与主要结论

研究人员利用野生型Canton-S果蝇品系，通过DAM管从胚胎期至成年期进行慢性社会隔离饲养，以标准食物管群居饲养为对照，开展了一系列行为学与神经生物学研究。研究发现：社会隔离导致雄性果蝇睡眠减少而雌性不受影响；隔离果蝇在新奇竞技场中探索活动减少，但适应后差异消失；在10只同性别群体中，隔离果蝇运动距离和速度均下降，且空间分布改变，更偏好竞技场中央区域；隔离果蝇社交回避增强，接近行为减少，聚集行为减弱；脑内多巴胺神经元及全脑突触前蛋白水平显著降低。这些结果表明，社会隔离通过降低神经元通讯能力，导致广泛的行为缺陷，且两性行为改变总体一致。

三、主要技术方法

本研究主要采用以下关键技术方法：利用果蝇活动监测系统（DAM系统）评估睡眠行为；使用3D打印的FlyBowl圆形竞技场结合Raspberry Pi相机进行视频记录，并通过cTrax和MATLAB BehavioralMicroarray工具包对果蝇行为进行追踪分析，包括单只果蝇探索行为、10只同性别群体社会行为、社交接近距离、接近回合及空间聚集等指标；利用UAS-GAL4二元表达系统，在TH-GAL4驱动下于多巴胺神经元中表达突触囊泡标记物Synaptotagmin1-eGFP（Syt:eGFP），通过免疫荧光染色和共聚焦显微镜成像，定量分析多巴胺神经元及全脑突触蛋白水平。

2. 研究结果

2.1 社会隔离减少雄性但非雌性果蝇的睡眠

通过DAM系统自动监测睡眠行为，发现隔离雄性果蝇白天和夜间睡眠时长均显著减少，而隔离雌性果蝇仅白天睡眠略有增加，夜间无差异。该结果复现了既往研究，表明社会剥夺对两性睡眠的影响存在性别差异。

2.2 社会隔离减少单只果蝇对新奇环境的探索活动

将单只果蝇放入竞技场并记录5分钟行为，发现隔离的雄性和雌性果蝇在初入竞技场时行走距离和速度均显著低于群居对照，但经过10分钟适应后，两组差异消失。群居果蝇从视频1到视频2表现出明显的探索活动下降，而隔离果蝇无此习惯化反应，提示隔离果蝇可能缺乏对新奇环境的最初应激反应或唤醒水平降低。

2.3 社会隔离改变同性别群体的运动活动和空间分布

在10只同性别群体中，隔离果蝇的运动距离和速度均显著低于群居果蝇，且该差异在雄性中持续至视频2。隔离雄性果蝇在竞技场中靠近墙壁的时间显著减少，而在中间和中央区域的时间增加，该空间分布差异在视频2中依然存在，与单只果蝇实验中的结果不同，提示群体条件下的空间分布改变可能源于社交回避而非对中央区域的偏好。

2.4 社会隔离增强对同性别个体的回避行为

通过分析最近邻距离直方图，隔离果蝇在近距离社交接近上花费的时间显著减少。尽管平均社交接近距离无显著差异，但在接近回合中，隔离果蝇的接近最小距离更大、接近次数更少、接近速度更慢。基于密度的聚类分析显示，隔离果蝇形成的聚类数量更少，隔离雌性果蝇形成的聚类更小、聚类中个体数更少。这些结果一致表明，隔离果蝇比群居果蝇更具社交回避性。

2.5 社会隔离降低多巴胺神经元中的突触蛋白

利用TH-GAL4驱动Syt:eGFP在多巴胺神经元中表达，发现隔离雄性和雌性果蝇中央脑整体及蘑菇体（mushroom body）两个特定区域（PPL1-γ1pedc和PPL1-γ2α′1）的多巴胺神经元中Syt:eGFP水平均显著降低。此外，全神经元表达的突触前蛋白Bruchpilot（Brp）在隔离果蝇全脑中也显著减少。这表明社会隔离导致脑内广泛的突触蛋白缺失，可能影响多个神经回路系统的神经元通讯。

三、讨论与结论

讨论部分指出，隔离果蝇在新奇竞技场中探索活动降低，可能反映其对新奇性的识别或反应异常，或唤醒水平降低。关于隔离饲养环境与群居饲养环境大小差异可能引入的混杂因素，研究人员通过对比既往文献中不同隔离装置的研究结果，认为行为异常主要源于缺乏社会互动本身。隔离果蝇表现出更强的社交回避，与既往社会空间实验结论一致。脑内多巴胺神经元突触蛋白降低与既往报道的脑内多巴胺浓度降低及多巴胺系统促进社交接近的结论相符，且这些多巴胺神经元区域与学习记忆相关，提示隔离可能损害厌恶嗅觉记忆。全脑突触蛋白的广泛降低与隔离果蝇多种社会和非社会行为异常的表型一致。睡眠方面，隔离减少雄性睡眠而对雌性无影响，机制尚不明确，可能与保幼激素等已知的性别差异调节因素有关。

研究结论：缺乏社会互动的果蝇在竞技场中表现出数量惊人的行为改变，证明了社会经验对正常行为模式的重要性。研究确定了多个社会隔离后稳定改变的关键行为参数，可作为果蝇社会剥夺相关行为改变的可靠指标。此外，社会隔离导致多巴胺神经元及全脑突触前蛋白的显著降低，表明缺乏社会经验会引发系统性的大脑改变。