Cell：動物社交——嗅覺提示和感知的重要性

嗅覺感知（olfactory perception），即“一個開始于鼻腔對高級大腦中樞的嗅覺感覺神經元的刺激的過程，當它被激活時，使我們有意識地感受到一種氣味”，對生存至關重要。自然環境確實充滿了氣味，這些氣味使動物能夠找到食物來源、識別配偶或躲避捕食者。

嗅覺賦予動物感知周圍環境中物體空間信息的能力，對靈長類動物視覺皮層的研究顯示，腹部通路和背部通路負責對物體的識別（是什么）以及對空間的感知（在哪里）【1,2】。視覺上對這兩種信息處理的分離是可以理解的，因為運動（motion）和同一性（identity）是物體的兩種獨立特征，我們對物質的感知必須分別提取持續性的（同一性）或者隨時間變化的（運動）感知信號。這種分離的處理策略已經在視覺中得到了廣泛的研究，但對于其在全面的突觸分辨環路調控中的作用，還未得到深入的闡釋。

嗅覺提示是動物社交中的關鍵信號機制。比如，雄性果蠅產生的cVA（cis-vaccenyl acetate），是一種低揮發性信息素，它是一種雌性果蠅的催情劑，也可導致雄性間的攻擊行為【3,4】。cVA是一種研究最多的信息素，它在雄性果蠅體內合成，交配時傳入雌性果蠅體內【5】。但目前對于其在果蠅社交行為中發揮的作用還不清楚，cVA什么時候以及在哪兒發揮作用需要更深入的研究。

近日，來自英國劍橋大學MRC分子生物學實驗室的Dana S. Galili和Gregory S.X.E. Jefferis團隊在Cell發表了 Generating parallel representations of position and identity in the olfactory system ，研究人員對果蠅信息素介導的嗅覺感知機制進行了深入的研究，發現果蠅嗅覺神經元能夠通過信息素進行物質識別和空間位置的感知，這種能力促進了果蠅在社交行為中的表現。

研究人員首先通過兩個電子顯微鏡連接組學數據庫追蹤對cVA響應的嗅覺受體神經元（olfactory receptor neurons, ORNs）下游通路。除了已知的單個嗅小球DA1側向投射神經元（lateral projection neurons, IPNs）和抑制性腹部投射神經元（projection neurons, PNs）之外，研究人員還發現了一個腹外側譜系單個嗅小球，命名為DA1 lvPN。這個神經元接收了90%的Or67d ORNs投射，和IPNs類似，它將cVA信號中繼到側角葉（lateral horn, LH），但是繞過蘑菇體（mushroom body）的聯想學習中心，投射到上位中前腦區（suprior intermediate protocerebrum, SIP）。IPNs和lvPNs形成平行的cVA興奮性反應通路。

研究人員檢測了這兩個通路對性行為的影響，發現lvPN的激活促進了交配率，提高了雌性果蠅的接受性，而IPN的活化對于雌性果蠅的性行為沒有影響。在雄性果蠅中，通過光遺傳學激活IPNs或者lvPNs都會導致雄性果蠅與雌性果蠅的交配率下降。同時，IPN（而非lvPN）的活化也降低了雄性果蠅和雄性果蠅之間的求偶行為。激活lvPN則會導致雄性果蠅與雄性果蠅之間的攻擊行為。

接下來研究人員發現，DA1 ORN, IPN和lvPN軸突神經元鈣信號的激活與接收cVA的濃度以及距離密切相關。ORNs的激活距離為5 mm，并且在此范圍內，隨時距離的減少，激活信號增強。與之不同的是，IPN的激活約在1 mm左右達到平穩，而lvPN的反應在5 - 2 mm內增加比較緩慢，但從2 mm - 0.25 mm則急劇增加，且不會飽和。如果在距離觀測雌性果蠅觸角0.75 mm的地方持續給cVA刺激10 s，那么ORNs的響應會比IPNs更晚達到峰值，IPNs對這種持續性刺激表現出更強的適應性。而DA1 lvPNs也比IPNs更晚達到響應峰值，但DA1 lvPNs卻在10 s的刺激過程中沒有表現出適應性。

進一步的研究顯示，在雌雄果蠅的交配行為中，cVA的濃度反映了位置信息，影響了雌雄果蠅的交配行為。當雄性果蠅在雌性果蠅前邊時，雌雄果蠅都出現了多次的轉向移動。而當雌性果蠅的右邊觸角被去除，雄性果蠅處在雌性果蠅完好觸角那一側時，雌雄果蠅也發生了多次轉向移動。單側觸角的去除會導致不對稱行為表型的產生，觀測果蠅的兩個觸角會產生一個可檢測的cVA空間梯度。當雄性果蠅在雌性果蠅的左邊或者右邊時，雄性果蠅靠近的那一側觸角，ORN的信號比另一側的更強。

雖然ORNs能夠被同側的雄性cVA激活，但ORNs投射并不僅限于同一側腦區，而是會投射到整個腦區，因此研究人員通過抑制單側觸角對此進行了深入的探索，發現僅記錄觀察半球區的ORN時，同側刺激引起的反應依然很大，但Or67d ORNs的基礎信號并沒有改變。不過，當記錄對側ORN信號時（抑制同側的觸角），研究人員觀察到對側雄性反應更大。雙側信號對比不同源于刺激距離不同引起的ORN信號水平的差異。

接下來研究人員對ORN信號如何被PNs處理進行了深入研究，發現同側雄性刺激會引起IPNs和lvPNs更強的反應，兩種投射神經元會從同側ORN軸突中接受更多的突觸。當在兩側都放置雄性果蠅時，抑制對側觸角會降低對同側刺激的反應，并增加對對側刺激的反應。而把雄性果蠅放在中間位置時，抑制對側觸角會導致IPN反應的降低，而抑制同側觸角則會導致更強烈的IPN反應降低，甚至比單側刺激基礎反應更低。這些數據可以解釋為對側抑制機制：當兩個觸角都完好，對側信號輸入同時提供對IPN的興奮和抑制作用。研究人員還通過連接組學鑒定了一個對側抑制通路，il3LN6，它是一個局域神經元。

研究人員還發現，果蠅還能通過對雙側的對比解碼另一個果蠅的角度信息。左右IPN響應的程度與雄性果蠅位置角度的cosine和sine密切相關。

最后，研究人員對cVA引起的第三層神經元激活進行了探究，lvPN-pC1連接在雌性接受行為中發揮了重要作用。另外，AD1g1整合了視覺信息和嗅覺信號，共同對逐漸靠近的雄性果蠅的速度進行了編碼。除此之外，同時激活cVA信號和味覺神經元Ir94e能夠促進雌性在交配行為中的接受性。

文獻參考：

1. Baker, K.L., Dickinson, M., Findley, T.M., Gire, D.H., Louis, M., Suver, M.P., Verhagen, J.V., Nagel, K.I., and Smear, M.C. (2018). Algorithms for olfactory search across species. J. Neurosci. 38, 9383–9389.

2. Goodale, M.A., and Milner, A.D. (1992). Separate visual pathways for perception and action. Trends Neurosci. 15, 20–25.

3. Kurtovic, A., Widmer, A., and Dickson, B.J. (2007). A single class of olfactory neurons mediates behavioural responses to a Drosophila sex pheromone. Nature 446, 542–546.

4. Wang, L., and Anderson, D.J. (2010). Identification of an aggression-promoting pheromone and its receptor neurons in Drosophila. Nature 463, 227–231.

5. Brieger, G., and Butterworth, F.M. (1970). Drosophila melanogaster: identity of male lipid in reproductive system. Science 167, 1262.