调控果蝇社会行为的性别二态性神经元网络

《Current Biology》：Networks of sexually dimorphic neurons that regulate social behaviors in Drosophila

　　

大多数物种中，性别二态性社会行为背后的神经机制仍难以解释。在果蝇（Drosophila）中，性别二态性的pC1/pC1x神经元已被描述为感觉整合的位点，调节交配和攻击行为。研究人员发现，雄性pC1/pC1x群体存在于一个广阔且高度交织的雄性特异性网络中，该网络可能调控社会行为。48种经连接组学（connectomics）定义的pC1/pC1x细胞类型表现出异质性的突触连接，其中一部分接收已识别感觉通路的强输入。研究人员生成了针对这些细胞类型的遗传驱动品系，并利用它们发现pC1/pC1x细胞类型在调节社交声信号和雄性-雄性相互作用中的不同作用。研究人员还描述了pC1和性别二态性aIPg神经元共同调控社会行为的回路基序。研究结果揭示了pC1/pC1x细胞类型在连接性和行为角色上的意外多样性，并提供了研究其神经生理学和行为功能所必需的关键遗传工具。

性别二态性行为在动物界广泛存在，但其神经回路机制尚不清楚。在果蝇中，转录因子doublesex（dsx）和fruitless（fru）决定性别二态性神经元的发育。pC1/pC1x神经元是表达dsx的DM4背侧半谱系细胞，被视为整合同种感觉信息并调节交配和攻击行为的关键节点，但雄性中单个pC1/pC1x细胞类型的功能尚不明确，且缺乏特异遗传工具。此前的研究多使用包含多种细胞类型的驱动系，仅覆盖不到20%的雄性pC1细胞类型；雌性中已发现aIPg神经元通过视觉通路促进攻击，但雄性aIPg的作用未知。为此，研究人员利用雄性全脑连接组，系统解析了pC1/pC1x细胞类型及其网络，并构建遗传工具进行行为学功能研究。该论文发表在《Current Biology》。

主要方法包括：基于雄性中枢神经系统（CNS）电子显微镜（EM）连接组数据（v0.9/v1.0），鉴定pC1/pC1x细胞类型；利用增强子intersection技术构建split-GAL4遗传驱动品系；通过免疫组化和RNA原位杂交检测dsx、Fru、神经递质及神经肽表达；采用光遗传学激活/抑制（CsChrimson/GtACR1）结合高通量音频记录和视频追踪（FlyTracker/JAABA）进行行为分析。样本为成年果蝇。

**雄性连接组包含44种pC1和4种pC1x细胞类型。** 通过EM重建，发现雄性每半球有74个pC1细胞，分为44种类型；另有4种pC1x类型，共48种；雌性仅5种pC1类型。

**构建pC1/pC1x细胞类型的遗传驱动品系。** 通过筛选增强子，生成33个split-GAL4品系，覆盖34/48种细胞类型；确认所有被检测细胞均表达dsx，28种中11种表达Fru；均为胆碱能，部分表达DH44和ILP7。

**pC1/pC1x神经元位于雄性特异性网络中。** 连接组分析显示，pC1/pC1x优先连接雄性特异和性别二态性神经元，与mAL、aSP-a、pCd、aIPg、aIP-c等群体形成紧密网络，包含约35%的雄性特异神经元；网络连接强且稀疏，主要位于lateral junction。

**pC1/pC1x神经元接受不同类型的感觉输入。** 不同细胞类型接收视觉（如LC10a、LC16）、嗅觉（如cVA通路）、化学感觉（如7,11-HD）和听觉输入，多数超类型整合多模态感觉信息。

**pC1/pC1x神经元与下行神经元（DN）稀疏连接。** 仅19个DN直接接受pC1输入，包括参与求偶鸣声的pIP10、DNp13、pMP2等；pC1输出可作用于VNC不同神经毡。

**部分pC1/pC1x类型参与雄性社交声信号。** 光遗传激活/抑制表明，pC1₁₃/pC1₁₄促进脉冲声并抑制正弦声，pC1₁₅/pC1₁₆抑制鸣声；pC1_14a单独足以促进脉冲声。

**连接组部分解释求偶鸣声表型。** 权重传播分析鉴定出相关双突触路径，但仅能解释少数品系的表型，多数表型需进一步研究。

**pC1/pC1x细胞类型塑造多种社会互动。** 雄性-雄性配对实验中，激活不同细胞类型诱导求偶和/或攻击行为，动态不同；沉默pC1₁₃/₁₄导致定位和翅膀伸展缺陷，沉默pC1₁₅-₁₇增加翅膀伸展。

**aIPg神经元可诱导雄性攻击行为。** 生成表达三个SMP054连接性aIPg细胞类型的split-GAL4品系（SS86900），激活后诱导低强度攻击行为。

**pC1和aIPg神经元协同调控同构回路。** pC1参与雌性中已发现的三个视觉门控回路机制，并与aIPg共享下游靶标；pC1和aIPg共同作用于视觉和嗅觉流。

讨论指出，pC1/pC1x神经元构成一个庞大的雄性特异社交网络，其异质性连接预示多种行为功能。研究人员强调，多数pC1/pC1x的表型无法仅由光遗传扰动解释，需要结合神经生理学。结论部分翻译如下：果蝇雌雄在性行为和社会行为库上存在显著差异。双侧大脑连接组的可用性为研究行为变异背后的神经机制提供了前所未有的平台。虽然只有约5%的神经元存在性别差异，但大多数二态性或性别特异性神经元位于中央脑，且彼此过度连接。本研究表明pC1/pC1x神经元与五个其他雄性特异细胞家族形成密集网络，占中央脑全部雄性特异神经元的三分之一以上，可能在社会行为的高阶控制中发挥关键作用。此外，研究人员提供了性别二态性aIPg神经元的详细连接组描述，显示它们与pC1/pC1x协作执行社会行为。通过生成细胞类型特异性驱动品系，首次实现了对连接组定义的pC1/pC1x细胞类型的社会行为功能及其潜在回路机制的评估，并为未来行为和神经生理学研究提供了工具。