《Current Research in Insect Science》：The Drosophila adult brain: short overview of structure, function, and resources Graphical Review Paper
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本文為神經科學領域果蠅模型新研究者提供成年黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）大腦綜述，涵蓋結構（如視葉 OL、蘑菇體 MB 等）、神經環路、行為關聯及研究資源，助力理解神經機制與跨物種保守性。
果蠅模型在神經科學中的應用價值
黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）是神經科學研究的重要模型，其大腦雖小但具備復雜神經結構與功能。果蠅具有體型小、繁殖周期短、遺傳易操作性強等優勢，且無需倫理審批，神經系統特征在昆蟲至人類等多物種間具有高度保守性，為研究神經機制提供了理想范本。
成年果蠅大腦的結構組成
成年果蠅的神經系統主要包括位于頭部的大腦和胸部的腹神經索（VNC），二者共同構成中樞神經系統（CNS）。大腦可分為大腦神經節（CRG）和顎神經節（GNG），包含多種神經纖維網（neuropils）和纖維束。
視葉（OL）是大腦中神經元數量最多的區域，由分層的神經纖維網（如 lamina、medulla、lobula、lobula plate）組成，主要負責視覺信號處理，不同層次處理不同視覺信號，存在視覺信息平行處理通路。
大腦神經節中的觸角葉（AL）是嗅覺處理的主要區域，由腎小球組成，嗅覺受體神經元與投射神經元在此交互，將嗅覺刺激整合至大腦高級處理中心。
蘑菇體（MB）是研究最為廣泛的結構之一，被認為是果蠅的海馬體類似結構，由約 2000-2500 個內在神經元（Kenyon 細胞）組成，分為多個葉和區室，在多感覺信息整合、聯想學習（尤其是嗅覺相關學習）和記憶中起關鍵作用，其結構可塑性受性別、年齡和社會經驗等因素影響。
中央復合體（CX）由約 3000 個神經元組成，與蘑菇體相連，參與運動協調和空間導航，可細分為扇形體（FB）、橢圓體（EB）、小結（NO）和 protocerebral 橋（PB）等神經纖維網，負責運動前輸出并整合光線信號以控制運動。
此外，大腦中還有一些較不為人知的神經纖維網，如位于顎神經節上方的外側副葉（LAL）和后坡（PS），前者參與感覺處理和運動協調，后者與飛行行為和對光的反應相關；圍食管神經纖維網（PENP）被認為是多感覺信息整合中心，其包含的鞍區（SAD）和觸角機械感覺和運動中心（AMMC）負責處理觸角的機械感覺輸入并通過運動神經元向觸角肌肉發送信號。顎神經節則在味覺處理和攝食行為中起重要作用，并整合來自多種內臟器官的輸入。
神經遞質與神經肽
果蠅大腦中存在多種神經遞質和神經肽，它們在神經元通信和生理功能調節中發揮關鍵作用。
乙酰膽堿、γ- 氨基丁酸（GABA）、谷氨酸等小分子神經遞質，以及多巴胺（DA）、5 - 羥色胺（5-HT）、章魚胺（OA）等單胺類物質，通過突觸傳遞信號。其中，谷氨酸、乙酰膽堿和 GABA 產生神經元在大腦中分布廣泛，而單胺能神經元數量較少，呈分散簇狀分布，如多巴胺能神經元（DANs）在每個半球分為 8 個簇，約 127 個細胞。
神經肽由前體蛋白加工而成，果蠅中約有 42 個神經肽前體基因，產生如色素分散因子（PDF）、胰島素樣肽（ILPs）等多種神經肽。胰島素生成細胞（IPCs）位于腦的神經內分泌中心 —— 腦間部，分泌 ILPs，參與調節生長、代謝、壽命等生理過程，其活動受 PDF 調節，PDF 還在晝夜節律同步中起關鍵作用。
膠質細胞與三聯突觸
膠質細胞在果蠅大腦中占細胞總數的 10-13%，并非被動支持結構，而是在神經元的結構、代謝、發育和功能等方面發揮積極作用。
表面膠質細胞形成 2-3μm 厚的血腦屏障，將神經系統與血淋巴分隔，包括圍神經膠質細胞和亞神經膠質細胞兩層。皮質膠質細胞（又稱細胞體膠質細胞）包圍每個神經元細胞體并包裹整個神經纖維網。神經纖維網相關膠質細胞存在于神經纖維網內，圍繞單個神經元突起和突觸，包括形成擴散屏障的包裹膠質細胞和類似脊椎動物星形膠質細胞的星形膠質樣膠質細胞，后者在三聯突觸中參與神經遞質回收。
膠質細胞的發育受轉錄因子調控，如神經前體細胞通過表達 “膠質細胞缺失”（gcm）阻止向神經元分化，并通過表達 “反向極性”（repo）最終分化為膠質細胞，但少數膠質細胞如中線膠質細胞和表達 “中腦星形膠質細胞源性神經營養因子”（manf）的細胞不表達repo。
神經環路與行為關聯
果蠅大腦的神經環路與行為密切相關，蘑菇體在嗅覺學習和記憶中起核心作用。嗅覺信號通過觸角葉的投射神經元傳遞至蘑菇體的萼部，肯揚細胞通過稀疏編碼對輸入信號進行擴展編碼，形成獨特的活動模式，蘑菇體輸出神經元（MBONs）將處理后的信息傳遞至下游環路，引導行為反應。多巴胺能神經元通過調節突觸可塑性影響學習，尤其是獎勵或懲罰相關的學習。
隨著果蠅大腦和腹神經索連接組以及化學連接組的出現，神經環路的研究將加速。連接組繪制物理神經回路，化學連接組繪制化學信號的發射和接收，二者結合可深入解析神經環路的功能。
性別差異與基因調控
果蠅的性別決定由sex-lethal（sxl）基因調控，該基因僅在雌性中表達，其蛋白調節剪接因子，導致doublesex（dsx）和fruitless（fru）基因的雌性特異性剪接變體，介導性別特異性行為和神經環路。
dsx表達神經元參與雄性求偶歌的產生和交配嘗試，在雌性中調節性接受性，整合來自雄性的感覺信號（如求偶歌和信息素）。
fru基因在成年果蠅大腦中約有 2000 個表達神經元，其雄性特異性蛋白 FruM參與求偶行為，如產生精確的翅膀振動求偶歌和交配嘗試，改變 FruM神經元的傳遞會導致求偶行為異常。雌性中的 FruM轉錄本剪接形成無功能的截短蛋白，其 FruM陽性神經元在數量和投射模式上與雄性不同，參與配偶接受性、產卵和信息素檢測等行為。此外，fru神經元還與攻擊行為和睡眠模式調節有關。
果蠅的行為研究
果蠅表現出從簡單反射到復雜認知任務的廣泛行為。其嗅覺學習和記憶能力通過將氣味與厭惡或獎勵刺激關聯得以體現，這一過程依賴蘑菇體的信號傳導。晝夜節律相關基因（如period和timeless）調控睡眠和攝食等行為。雄性求偶行為是一種復雜的行為序列，受遺傳、信息素和經驗影響。飛行和視覺行為也得到了深入研究，章魚胺和酪胺在其中起調節作用。運動和導航行為依賴中央復合體對來自 SEZ 和 VNC 的感覺和運動信號的整合。
利用 FlyWire 連接組等資源，可通過篩選神經元屬性（如神經遞質類型、神經纖維網參與）搜索相關神經元，結合特定腦區與感覺、運動輸出的研究，提出神經環路假設，例如社交距離行為的神經環路涉及視葉、蘑菇體、中央復合體等多個腦區的相互作用。
結論與展望
果蠅研究推動了科學的巨大進步，從染色體與遺傳的關聯到晝夜節律的發現，均離不開這一模型。盡管果蠅神經環路及其與行為的關聯已得到廣泛研究，但功能連接組學、化學連接組學以及較不為人知神經纖維網的作用仍有很大研究空間。新興技術如基因組學、蛋白質組學、先進成像和計算方法（包括機器學習）將加速該領域的發展。將單細胞轉錄組數據與連接組數據整合，有望進一步深化對果蠅神經功能的理解，并推動跨物種基因組、神經和行為保守性的研究，鞏固果蠅作為神經科學模型生物的價值。
