果蝇中央复合体对长时间尺度航向修正运动的选择性调控

《Current Biology》：Selective control of course correction over long timescales in the Drosophila central complex

　　

研究重点

• 果蝇逐渐调整其运动以匹配旋转光学流场（optic flow）的速度
• 航向修正需要旋转运动与平移运动的神经回路
• 平移运动回路的不对称激活可引发向前运动
• 连接组学（connectomics）揭示了整合外部运动线索的潜在回路

摘要

昆虫中央复合体（central complex）调控复杂的导航行为。中央复合体的一个关键区域——扇形体（fan-shaped body, FB）——是目标导向行为中运动决策的计算位点。然而，研究人员对FB回路何时被启用的认知仍然有限，且FB仅被直接涉及少数几种范围狭窄的行为。在本研究中，研究人员证明了FB回路影响航向修正运动，此类运动在长时间尺度上使果蝇的朝向与感知到的光学流场方向对齐。沉默FB的一个主要输入神经元群体——PFNd神经元——会消除该行为，同时保留某些反射性转向行为。此外，通过光遗传学激活在PFNd或PFNa神经元中引入虚拟误差信号（fictive error signal），揭示出这些神经元足以影响果蝇的向前运动，同时略微偏置其朝向方向。研究人员提出一个模型：果蝇招募中央复合体回路，以选择性地影响在长时间尺度上涌现的运动特征。

研究背景与目的

昆虫执行尺度与复杂度各异的导航任务，从数百米觅食蚁的路径整合到数千公里帝王蝶的季节性迁徙。航向修正的潜在策略是持续比较内部运动预期与外部感觉线索。果蝇中央复合体（central complex）是昆虫中保守的脑结构，包含编码朝向、复杂感觉线索方向及内部目标方向的拓扑活动“bump”。然而，该回路仅被直接涉及少数行为，如趋线运动（menotaxis）和气味诱发趋风性（anemotaxis），两者均依赖类似工作记忆的时间稳定方向信号。与此不同，多数即时运动可由不依赖世界中心坐标表征的简单感觉运动转换解释，如视动反应（optomotor response）；但即使如此简单的行为在长时间尺度上也呈现复杂特征，例如果蝇在特定刺激条件下数秒后会由顺流转向逆流。中央复合体是否参与调控这些长时间尺度行为特征此前尚不清楚。为此，研究人员设计了开放场闭合环路行为范式，将果蝇置于内部运动预期与外部光学流场（optic flow）信息的持续冲突中，在不引入外部目标刺激的条件下探究中央复合体如何产生航向修正运动。

主要技术方法

研究人员采用开放场闭合环路行为范式：绿色LED阵列产生绕arena旋转的垂直条纹（每3秒一圈，约2.09 rad/s），仅当果蝇移动时触发旋转，以模拟自运动产生的光学流场。利用热遗传学（shiTS）沉默与光遗传学（CsChrimson）激活靶神经元，并通过SPARC方法实现稀疏随机激活；结合免疫组织化学与共聚焦显微镜定量荧光信号，计算ΔNO不对称指数。连接组分析基于hemibrain数据集（Neuprint、Flywire）。行为数据经FlyTracker自动追踪及自定义R脚本统计。样本为Canton-S与W1118两种遗传背景的果蝇。

研究结果

*果蝇在长时间尺度运动回合中整合持续性视动误差*

在该行为范式中，果蝇前行回合通常持续数秒，有时超过40秒。回合内角速度变异性随时间降低，平均值稳定于1.549 rad/s，略低于条纹旋转速度，表明果蝇逐渐调整其朝向以匹配光学流场方向，从而执行航向修正。

*弯曲行走需要完整神经指南针*

热遗传学沉默椭球体（ellipsoid body, EB）中的EPG神经元导致果蝇趋向arena边缘追逐条纹，呈现类似条纹固着行为；沉默PEN神经元导致行走回合中角速度变异性全程升高；两者平移速度均不受影响。EB回路协调以稳定果蝇朝向。

*PFN通路是长时间尺度误差修正所必需*

PFNd神经元接收结节（noduli, NO）NO2背侧微区的前向平移光学流场信号。沉默PFNd使果蝇呈现“停-转”表型：行走轨迹变直，回合中位持续时间缩短至306.4 ms，平均角速度降低，而平移速度保持正常。PFNv与PFNa沉默无此效应，表明前向光学流场信号对航向修正具有选择性作用。

*PFN激活足以改变运动*

光遗传学激活全部PFNa或PFNd神经元均抑制果蝇运动，其中PFNa激活显著降低平移速度并使行走回合提早终止。

*不对称PFN激活驱动前行并轻微偏置朝向*

通过SPARC稀疏激活PFNa+d（R16D01-Gal4）果蝇并计算ΔNOa、ΔNOd不对称指数，发现ΔNOa?d指数与光遗传刺激期间角速度变化呈显著相关（Pearson r=0.256, p=0.0297），置换检验显示该相关高于95%随机模拟值。加权分析表明PFNa与PFNd以近等权重（权重0.075）求和性影响角速度。累积相关分析显示朝向偏置在20秒刺激期内逐渐增强，提示慢性偏置而非离散转向指令。对称稀疏PFNa激活（SS00081-Gal4）不产生上述行为效应，证实不对称激活的关键性。

*连接组预测PFNa/PFNd的反相布置*

hemibrain连接组追踪显示，PFNd神经元输入至hDeltaB神经元的对侧扇形体柱，信号相位不变；PFNa输入至hDeltaC神经元的同侧柱，经4柱偏移（约180°）发生反相。该解剖连接模式解释了行为实验中两群神经元对运动方向的相反效应。

*PFNa/PFNd与转向回路的交互位点*

PFNd下游经hDeltaB→hDeltaA/PFR循环子网络→PFL3神经元；PFNa下游经hDeltaC→FC2B→PFL3，并经FC3→PFR汇入PFNd通路。PFR神经元可能是两通路交互位点，整体映射呈非线性与循环特征。

讨论与结论

内部运动表征在长时间尺度上不可靠，微小误差持续累积可导致预期与实际运动严重偏离。PFN通路通过比较内部预期与外部感觉信息执行误差修正功能：沉默PFNd消除弯曲行走，不对称激活则产生带轻微单向偏置的前向运动。行为缺陷在运动起始后约300 ms出现，与脑-wide钙成像中中央复合体激活时程（约200–400 ms）一致。PFN亚型功能具有选择性：PFNd特异性介导视动误差驱动的航向修正，PFNa可能在风信号情境下被类似招募。扇形体利用EB朝向信号将自我中心感觉表征转换为世界中心坐标系，并以朝向表征为锚整合平行感觉通路；PFNa与PFNd经hDelta回路实现反相整合，协同增强运动稳定性。结论：果蝇中央复合体能选择性调控长时间尺度航向修正运动，PFNd通路是该行为的关键介导者，PFNa与PFNd经扇形体hDeltaB/hDeltaC回路实现反相整合，并经PFL3神经元输出至转向回路；这种跨时间尺度的分布式行为控制可能是昆虫脑的保守特征。