Pan Lab at Southeast University

玩中求全

作为传统的东亚人，我们从小到大一路被“优绩主义”包围，只要一次考试没考好，就面临着父母的男女混合双打。甚至在成年后的工作、婚姻也成为了父母与他人攀比的资本。而在我们的印象中，欧美人似乎从小就过着无忧无虑的生活，他们在学校里不单单只有学习考试，还有充足的时间参与各种自己感兴趣的活动，成年后也享受着work-life balance。这虽然是一种刻板印象，但也一定程度反映着东方人和西方人对于自己生活的不同态度。那么同样都是从猿类进化成的智人，为什么我们会存在如此大的差异呢？一个最重要的原因大概就是我们接受的文化在出生后塑造了我们的性格，因为一些ABC（American-Born Chinese）也拥有着西方人的生活态度。那么人类，或者说动物的本性是什么呢？我们的本能应该是努力学习还是快乐地玩耍呢？

其实爱玩才是动物的天性。在动物园里，我们经常见到某些动物对于饲养员设置的娱乐设施表现出浓厚的兴趣，并一直尝试与其互动；在澳大利亚的野外，幼年的袋鼠们会互相打闹，以此强化自己的战斗技巧；我们人类在小时候也很贪玩，甚至有的小孩玩得忘记了写作业，导致被家长老师批评……这些现象都在诉说着动物的本能。

玩耍行为在很久之前就被科学界定义为动物在没有疾病或外力强迫时的自发行为。具有以下几个特征：①自愿的、重复但不刻板；②看似没有明确的目的，也谈不上直接的实际用途；③不局限于特定的个体，而是在群体中普遍存在；④行为模式丰富，常常有夸张的动作。通常玩耍行为被划分为：运动玩耍（个体进行跑、跳、摇头、踢腿等动作）、物体玩耍（个体对于无生命物体表现出的行为，如海獭玩石子）以及社交玩耍（可发生在同物种和多物种之间，如人与人之间的打闹、宠物猫和宠物狗之间的追逐嬉戏等）。此外，还有一些玩耍方式仅发生在“聪明”的物种中，如乌鸦喝水，人类和灵长类动物进行解谜游戏等，这类玩耍通常也被称为认知玩耍。虽然通常认为玩耍行为发生在较高等的、拥有大脑皮层的物种中，但近期也有研究证明在昆虫（熊蜂和果蝇）中可能也存在类似玩耍的行为。

这种看似无意义的玩耍行为既然能在长期的进化中被保留下来，一定是有意义的。根据马斯洛需求层次理论，动物必须要拥有足够的时间和安全的环境，才能从事那些不具备即时效益的活动。而玩耍行为正符合这样的特征，它可以让个体学习或完善行为技能，提高社交能力、生殖能力、本体感知能力以及认知能力，甚至可以延长动物的寿命。这样的优势通常在个体成年后才显现出来。而玩耍行为通常发生在幼年的个体中，因为成年个体通常面临着更多的生殖、生存压力，这些更重要的行为可能占据了成年个体的较多时间，从而影响了玩耍行为在成年个体的发生。

在神经科学领域常用的模式生物中，大鼠与小鼠相比，在幼年期表现出更丰富的社交玩耍行为，且这些行为很容易被量化。所以大鼠通常被用做玩耍行为的研究对象。目前已经揭示大鼠中参与玩耍行为调节的脑区有前额叶皮层（PFC）、伏隔核（NAc）、杏仁核（Amyg）和中脑导水管周围灰质（PAG）等区域。而其中涉及到的神经递质有多巴胺（DA）、大麻素（Testosterone）和阿片肽（Opioids）等。在大鼠中被广泛研究的是一种叫粗暴玩耍（rough and tumble, R&T）的行为，这个行为通常包括突袭（pounce）、按住（pin）、拳击（box）以及追逐（chase）等步骤，被认为是幼年大鼠对成年后的交配行为或者打斗行为的“演习”。有研究指出，幼年大鼠中的PAG脑区有更高水平的甘氨酸，通过甘氨酸提高了NMDA受体的活性，从而导致幼年个体拥有了更高水平的玩耍行为。

另一方面，性别差异也影响着玩耍行为的水平。在雄性动物中，通常拥有较高的玩耍水平强度，这可能是由受了高水平雄激素的影响。有趣的是在斑点鬣狗中，雌性反而拥有较高的玩耍强度，而雌性体内恰好也比雄性拥有更高的雄性激素水平。也有研究指出，雄性大鼠杏仁核区域的小胶质细胞有更高水平的吞噬作用，通过吞噬新生的胶质细胞促使杏仁核向“雄性化“的方向发展。此外，大鼠之间的肢体动作、声音信号通常也会影响这种玩耍社交是否可以顺利进行。当互动双方都释放愉悦信号（50 kHz的声音通常与正向行为相关）时，玩耍行为很容易继续进行；但当其中一方发出负向信号（22 kHz、竖毛、咬等）时，玩耍行为很容易转变为真正的打斗。

最后，在野生动物群体中也观察到了一些另类的玩耍形式。如在美国发现的年轻夏威夷海豹群体会将鳗鱼塞进鼻孔，只因为他们认为人类潜水员的氧气管很酷；而某年夏天突然出现大量顶着鲑鱼尸体“帽子”的虎鲸群体，这种“潮流”又在第二年迅速消失。这些行为的传播先于基因的遗传出现，因此不属于本能行为。但这也提示动物除了先天的玩耍行为以外，也有能力通过后天的学习掌握更多的玩耍技巧。

玩耍是我们的天性，这种天性既刻写在基因里，也通过文化传递，成为生命智慧的独特体现。So, fuck the work-life balance, work less and live more.

以上是本次Journal Club的总结，希望能对大家有所帮助。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2025-06-26 Journal Club PPT

by 马铭泽、陈洁、王蓉

2025年6月26日，我们将进行2025年度第四次Journal Club，组织者为马铭泽，参与者有陈洁，王蓉。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。
报告主题：Play is all you need
报告内容：
12:00-12:30 What is play behavior? —— 王蓉
12:30-13:00 How do animals benefit from play behavior? —— 陈洁
13:00-13:30 Why do adults play less than juveniles? —— 马铭泽
13:30-讨论

连接组学概述及Flywire在近期研究中的应用

连接组学概述及其常用技术

连接组学是生物技术的重要分支，旨在通过高精度成像与计算分析技术，系统解析生物体神经系统的结构连接与功能网络，构建从微观神经元到宏观脑区的完整连接图谱。其核心目标包括绘制神经回路的三维结构、解析突触级连接关系，并建立结构与功能的关联，为理解脑功能机制及神经系统疾病提供基础。

以下将概述连接组学的关键技术及其应用：

一、神经环路示踪技术：化学标记与形态追踪

传统神经示踪技术通过化学标记实现神经元通路的可视化。研究者将示踪剂（如辣根过氧化物酶HRP、荧光金、生物素化葡聚糖胺等）注入特定脑区，利用轴浆运输的顺行或逆行特性追踪神经纤维走向。顺行示踪剂从胞体向轴突末梢扩散，标记下游投射；逆行示踪剂则逆向标记上游输入源。此类技术可清晰呈现单个神经元的形态与连接路径，但存在显著局限：其一，无法特异性标记特定细胞类型；其二，跨突触能力弱，难以解析多脑区、多类型神经元形成的复杂网络。因此，示踪技术多用于局部环路研究，需结合其他方法完善全局连接图谱。

二、神经影像技术：非侵入式全脑成像

现代影像技术突破了传统方法的侵入性限制，实现了活体、全脑尺度的连接分析：

1. 功能磁共振成像（fMRI）

通过检测血氧水平依赖（BOLD）信号，fMRI可间接反映神经元活动引发的血流变化，揭示不同脑区的功能协同模式。例如，静息态fMRI通过分析自发神经活动的时空相关性，绘制功能连接网络，广泛应用于认知研究与疾病诊断。

2. 弥散张量成像（DTI）与纤维束成像

DTI基于水分子在白质纤维中的各向异性扩散特性，重建脑内神经纤维的走向。结合纤维束成像技术，可三维可视化长距离连接通路（如胼胝体、皮质脊髓束），解析脑区间的结构连接基础。然而，DTI分辨率有限，难以区分交叉纤维或微观结构细节。

3. 电子显微镜（EM）与体积电镜（vEM）

电子显微镜凭借纳米级分辨率，是解析突触级连接的“金标准”。连续切片电镜技术可对脑组织进行超微结构重建，精确识别突触前、后成分及神经递质类型。体积电镜（vEM）进一步整合大视野成像，实现立方毫米级脑组织的密集重建（如果蝇中枢神经或小鼠皮层柱）。例如，线虫全连接组（302个神经元）的绘制即依赖电镜技术的逐层成像与三维拼接。但电镜数据采集与处理耗时极长，且需复杂样本制备（如高压冷冻固定），限制了其在大脑全尺度研究中的应用。

FlyWire平台创建基础

FlyWire (https://flywire.ai/) 创建于普林斯顿大学， 受到美国大脑研究计划的支持，平台创建后由世界各地的科学家进行FlyWire Connectome 的校对和注释工作。Murthy lab 与Seung lab 负责了FlyWire社区的搭建与目前的运营维护，两个实验室均位于普林斯顿神经科学研究院。

FlyWire 网站有详细列出运行使用的数据来源以及对应文献，包括全脑电子显微镜图像来源，自动检测突触连接技术，分层注释及细胞识别标签的来源，神经递质预测，基于NBLAST相似性评分等技术来源。接下来将简略讲述最初电镜数据的获得、自动识别突触与预测突触神经递质技术的开发。

FlyWire 利用了Davi Bock实验室现有的电子显微镜图像资源，关于此电镜图象采集的具体信息发表在2018年Cell上(Zheng, Zhihao et al.)。对于有100,000 个神经元的果蝇大脑来说只有电子显微镜(EM)可以将分辨率精确到突触水平，但因为黑腹果蝇的大脑相比于此前其他使用电镜成像的样品来说太大了，在这篇文章中研究者更换了更高速的 sCMOS 相机，并制作了一个定制的压电驱动快速平台，使得成像速度大大提高。研究者还构建了一个机器人自动运输和定位系统，可以自动更换样品。研究者使用得到的数据集对 MB 的内在神经元 Kenyon 细胞(KCs)的所有输入进行了重建，验证了图像的可用性。

得到果蝇全脑电镜数据集后下一个问题就是如何将2D的切片图像构建成3D模型。果蝇大脑的突触的大小通常比脊椎动物小，并且一个突触前位点多数连接到多个突触后位点，这给突触连接提高了难度。FlyWire使用Funke lab从电镜图片中自动识别突触的方法初步推断连接图谱。研究者使用卷积神经网络 （CNN）识别每层图像中的突触间隙，T 形杆，囊泡等结构，生成一个从该结构指向相应突触前位点的向量。人工识别突触方向也按照此原则。接着使用 CIRCUITMAP（左），在 CATMAID 中自动重建的神经回路。也是由于此原理局限，现在FlyWire所预测的突触连接均为化学连接而不包括电突触。

值得一提的是，后续FlyWire对每个神经元突触进行神经递质预测所使用的技术也为Funke lab 开发。虽然此前技术可以表现神经元之间的突触连接细节，但连接的突触之间传递的信息是兴奋性的还是抑制性的，这是由释放的递质决定的。研究者首先挑选出在以往研究中具有明确细胞类型与表达模式的六种神经递质（乙酰胆碱、谷氨酸、GABA、血清素、多巴胺、章鱼胺），将以往研究中相应神经元在光学显微镜下的位置与具有注释突触位置的相应电镜数据进行重建匹配，从而产生具有已知递质身份的突触位点的 EM 体积数据集。研究者使用该数据集来训练深度学习模型，接着使用经过训练的模型来预测迄今为止递质身份未知的神经元的突触的递质身份。结果显示该模型在不同分割等级的测试集上均有较高准确性。

2020年FlyWire平台上线，并发表了文章描述了FlyWire平台的运行模式与使用方法。使用自动识别突触连接的技术构建全脑连接组的准确性仍然需要再通过人工校对来提高，问题是人工校对的工作量十分大，因此FlyWire平台参照哲学围墙花园社区的运行模式，招募志愿者进行神经元校对。

终于在2023年七月，经过4 年，250 人的270 万次编辑，第一个完整的果蝇大脑连接组发布，并登上nature封面。

FlyWire平台在目前科学研究中的应用

随着神经科学和计算生物学的快速发展，FlyWire平台通过整合电子显微镜成像、人工智能驱动的神经元追踪技术以及大规模数据分析，成为果蝇（Drosophila melanogaster）神经科学研究的重要工具。以下从四个前沿研究方向，阐述FlyWire在果蝇神经科学研究中的关键应用。

1. 解析果蝇求偶歌曲的神经网络组织

动物通过声音交流时，听觉系统需编码行为相关的声学特征以驱动特定反应。然而，由于听觉通路的复杂性，特征检测的神经机制长期存在争议。研究者利用FlyWire平台，首次绘制了果蝇听觉通路的首个神经元连接通路图，揭示了24种新型中间层细胞类型及其突触连接模式。研究发现，这些神经元对求偶歌曲的两种模式（正弦波与脉冲序列）表现出连续偏好，且不同偏好的神经元在非层级网络中高度互连。通过FlyWire的突触极性分析，进一步明确了该网络中兴奋性与抑制性连接的分布，为理解果蝇听觉编码的动态组织提供了新视角。

2. 重构果蝇昼夜节律钟的突触连接组

生物钟网络通过协调生理与行为适应昼夜变化，但其具体连接模式仍不清晰。借助FlyWire平台，研究者将果蝇昼夜节律网络的已知神经元数量从150个扩展至约240个，并发现了新型背侧时钟神经元及对侧突触连接。此外，研究揭示了时钟神经元通过间接光输入通路接收环境信号，并调控摄食与生殖相关神经元的机制。结合单细胞转录组学数据，FlyWire还帮助鉴定了时钟网络中丰富的肽能信号通路，表明旁分泌信号在节律调控中的关键作用。这些发现不仅完善了果蝇生物钟的连接图谱，还提示了与脊椎动物生物钟通路的进化保守性，为疾病相关节律紊乱的研究提供了模型基础。

3. 构建果蝇计算大脑模型以解析感觉运动加工

基于FlyWire提供的全脑连接组数据（包含12.5万个神经元和5000万突触），研究者开发了首个果蝇泄漏积分-发放计算模型（Leaky integrate-and-fire model），用于模拟味觉与机械感觉的神经加工过程。该模型成功预测了糖或水感应神经元激活后触发的进食行为回路，并通过光遗传学实验验证了其准确性。例如，模型预测的触角梳理回路神经元激活模式与实际观测高度一致。这一成果表明，仅依靠突触连接与递质信息即可构建可验证的神经回路模型，为理解复杂感觉-运动转换机制提供了新范式，同时也为人工智能领域的类脑计算模型开发注入新思路。

4. 揭示蘑菇体Kenyon细胞的视觉输入多样性

果蝇蘑菇体（Mushroom Body）传统上被认为是嗅觉信息处理中心，但FlyWire连接组数据表明，其8%的Kenyon细胞主要接收多模态视觉输入。研究发现，这些视觉Kenyon细胞的突触前神经元具有大感受野，而中间神经元则传递空间受限的视觉特征信号。单个Kenyon细胞通过随机采样多个视叶神经元的输入，形成稀疏且分布式的视觉编码模式。此外，特定Kenyon细胞亚群表现出受限的输入组合，提示其对特定视觉刺激的偏好。这一发现颠覆了蘑菇体仅处理嗅觉信息的传统认知，揭示了其在视觉信息整合中的潜在作用，为理解昆虫多感觉整合机制开辟了新方向。

综上所述，FlyWire平台通过提供全脑尺度的突触级分辨率数据，正在推动果蝇神经科学研究迈向系统化与定量化。其在听觉通路、生物钟网络、计算建模及多感觉整合等领域的应用，不仅深化了对特定神经回路的理解，还促进了跨学科方法（如连接组学与计算神经科学的结合）的发展。未来，随着数据规模的扩大与分析工具的优化，FlyWire有望进一步揭示神经编码的通用原则，并为脑疾病机制研究、类脑智能开发提供关键支持。然而，如何高效处理海量连接组数据并实现动态功能验证，仍是该领域亟待突破的挑战。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2025-05-29 Journal Club PPT

by 李畅、王姣、邢丽敏

2025年5月29日，我们将进行 2025年度第三次Journal Club，组织者为李畅，参与者有王姣、邢丽敏。Journal Club的总结及报告内容(Slides)将在会后张贴出来。

报告主题：FlyWire: online community for whole-brain connectomics

报告内容：

12:00-12:30  Introduction to Brain Connectomics and Applications in Model Organisms——王姣

12:30-13:00  Foundational Principles and Operational Guidelines of the FlyWire——李畅

13:00-13:30  Current Advances in Drosophila Research Using FlyWire——邢丽敏

13:30- 讨论

从样本到发现：测序技术全流程实战与前沿应用

本次journal我们主要探讨了测序技术从基础原理到前沿应用的完整体系。

内容主要分为三个部分：

Part1：测序技术基础与选择逻辑

Part2：测序研究中的工作流程与可视化

Part3：测序技术的前沿与应用

Part1：测序技术基础与选择逻辑

本部分首先回顾了测序技术的发展历程。从第一代Sanger测序技术的奠基作用，到第二代Illumina高通量短读长测序技术的广泛应用，再到第三代测序如PacBio和Nanopore带来的技术革新，测序技术不断进化以满足更复杂的研究需求。第二代测序以高通量、高精度、低成本著称，适合大规模的基因表达分析与突变检测，是目前应用最广泛的技术。而第三代测序则以超长读长、无PCR扩增以及可直接测序RNA等优势，突破了重复区域组装、全长转录本分析、甲基化修饰检测等瓶颈，成为当前研究中的重要补充和突破方向。测序技术的演进不仅提高了测序效率与精度，也不断拓宽其在基础研究和临床应用中的边界。

随着研究需求从群体水平走向单细胞乃至亚细胞精度，测序技术进入“分辨率革命”阶段。这一过程中，技术难度显著提升。从最初的bulk RNA-seq 检测平均表达水平，到single-cell RNA-seq 实现对细胞异质性、发育轨迹和罕见细胞类型的刻画，再到spatial transcriptomics 将表达数据与空间定位信息融合，测序的深度与维度持续拓展。这些高分辨率技术不仅对样本质量、处理流程和实验设计提出更高要求，也带来了数据处理和结果解释的挑战。例如，单细胞RNA-seq 要求对每个细胞进行分离与建库，存在“掉落事件（dropout）”等噪声问题；而空间转录组则需在保留组织结构的同时实现高通量数据采集，对组织切片处理和定位精度要求极高。因此，在研究设计中必须在分辨率、成本、可操作性和下游分析能力之间做出综合权衡，才能选择最适合的测序策略并获得高质量、可解释的数据。

Part2：RNA测序研究中的工作流程与可视化

在第一部分系统梳理测序技术发展脉络及分辨率革命后，第二部分聚焦于测序数据的深度分析与生物学阐释，通过“数据可视化方法解析”与“Bulk RNA-seq实战流程”两大模块，构建从数据呈现到机制挖掘的完整技术链条。

测序数据的可视化是衔接技术分析与科学发现的核心环节。面对高通量测序产生的海量数据，火山图以-log10(P值)与log2(FC)为双轴，精准定位差异表达基因，例如果蝇慢性社交隔离模型中，通过该图清晰识别出439个与7天隔离显著相关的基因，其中starvation信号通路基因呈现显著富集趋势。维恩图则通过交集与独集分析，揭示多组实验差异基因的动态分布规律，如在隔离1天与7天的对比中，1851个基因的特异性表达变化，直观展现基因表达的时间依赖性调控特征。降维技术在复杂数据结构解析中发挥关键作用：PCA通过提取主成分，将高维表达数据映射至低维空间，有效区分果蝇脑区在行走与休息状态的整体表达模式，更揭示衰老干预后基因表达向年轻态的趋同趋势；UMAP则针对单细胞数据的非线性特征，实现细胞亚群的精细聚类，如在雌雄果蝇P1神经细胞分析中，精准识别出性别相关的功能亚群，展现细胞异质性解析的强大能力。功能富集分析进一步链接基因表达与生物学功能，GO/KEGG分析以条形图、气泡图等形式，将差异基因富集至“脂肪酸β-氧化”“糖酵解”等关键代谢通路，结合GSEA对剪切体、内吞作用等复杂通路的方向性富集分析，为表型关联机制提供直接线索；WGCNA与PPI网络则从基因共表达模块与蛋白互作层面，构建分子调控网络，如通过PPI网络揭示CG10764、TBC1D5等核心基因在蛋白互作中的枢纽作用，深化对基因协同调控的理解。

在Bulk RNA-seq实战流程中，研究以果蝇模式生物为对象，通过标准化代码框架演示了从原始数据到功能解读的全流程技术路径。基于R语言Bioconductor生态（DESeq2、clusterProfiler等工具），依次完成数据质控、参考基因组比对、表达定量（TPM计算）及差异基因筛选，借助EnhancedVolcano等工具实现可视化验证。代码示例涵盖环境配置、结果保存等工程化细节，保障分析流程的可复现性与模块化扩展。

第二部分通过“方法解析-案例验证-流程实操”的递进式叙述，不仅阐明了测序数据可视化的核心工具及其生物学应用场景，更通过完整的代码演示与技术细节解析，构建了Bulk RNA-seq分析的标准化范式。其价值在于将高通量测序技术从实验端延伸至数据分析端，通过火山图、PCA等可视化方法实现数据特征的直观呈现，借助统计工具与代码流程保障分析的严谨性，最终将基因表达变化与生理表型（如隔离诱导的睡眠减少、代谢通路激活）建立直接关联。这一体系化的分析框架，既为神经科学、发育生物学等领域提供可复用的技术模板，也为单细胞、空间组学等更高维度数据的整合分析奠定了方法学基础，彰显了“数据驱动实验设计，分析赋能科学发现”的研究逻辑。

Part3：测序技术的前沿与应用

在第二部分构建测序数据深度分析框架后，第三部分聚焦测序技术前沿及跨维度整合，通过新兴技术、融合应用与神经科学实践，展现其从单一技术到多维解析的跨越。

第三代测序与微流控技术带来核心突破：纳米孔测序以超长读长、便携性支持单分子实时检测，适用于全长转录组与表观修饰分析；微流控技术如Drop-seq实现单细胞高通量分析，低成本处理万级细胞，推动大规模细胞异质性研究，微流控DNA纯化则高效处理微量样本，减少损伤。

技术融合打破维度限制：GUIDE-seq结合测序与CRISPR，无偏检测基因编辑脱靶效应；空间组学中，FISSEQ保留组织原位结构进行RNA测序，揭示修复相关基因空间分布，seqFISH+通过多轮荧光解码实现万级基因空间图谱绘制；Patch-seq整合电生理与单细胞测序，在小鼠神经元中建立离子通道基因表达与电信号特征的直接关联，鉴定神经元亚型分子标记。

在神经科学中，测序技术整合应用推动深度解析：单细胞多组学揭示神经元分化中表观遗传与转录协同调控，Patch-seq通过超4,200个神经元分析，鉴定跨模态一致的中间神经元亚型，展现“分子-功能”精准映射。这些技术突破传统限制，构建多维解析体系，为神经系统复杂机制研究提供跨学科工具，预示着与AI、基因编辑等融合的广阔前景。

总结

本次journal我们首先梳理了测序技术的发展脉络，从第一代到第三代技术的革新，以及Bulk RNA-seq、单细胞测序、空间转录组等不同分辨率技术的特点与选择逻辑，强调在研究设计中需综合权衡分辨率、成本与可操作性。接着聚焦实验设计与数据质控实战，通过数据可视化方法解析（如火山图、维恩图、PCA等）和Bulk RNA-seq实战流程，构建了从数据处理到生物学阐释的标准化分析框架，展现了如何通过技术细节与代码实操将基因表达变化与生理表型建立关联。最后介绍测序技术的前沿动态，包括纳米孔、微流控等新兴技术，以及与CRISPR、电生理、空间组学等领域的融合应用，尤其是在神经科学中实现单细胞多组学整合与“分子-功能”精准映射，为复杂生物学问题提供了跨维度解决方案。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2025-04-24 Journal Club PPT

by 陈东亮、李小龙、马铭泽

2025年04月24日，我们将进行2025年度第二次Journal Club，组织者为陈东亮，参与者有李小龙、马铭泽。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：From Samples to Insights:Practical Implementation and Advanced Applications of Sequencing Technologies

报告内容：

12:00-12:30 Core Principles and Selection Logic of Sequencing——李小龙

12:30-13:00 Practical Workflow and Visualization in RNA seq Studies——陈东亮

13:00-13:30 Frontiers and Applications of Sequencing Technologies——马铭泽

13:30- 讨论

当苍蝇变胖：一只小昆虫如何揭示肥胖的普遍秘密

肥胖的成因和潜在机制

俗话说，“一白遮百丑，一胖毁所有。”从健康的角度来说，肥胖“毁”的不仅仅是外表，还会对身体造成很多严重的危害。肥胖既是一种独立的疾病，又是2型糖尿病、非酒精性脂肪肝、高血压、中风和多种癌症的危险因素。

由于果蝇和人类中具有相似功能的组织，所以是很好的研究脂肪堆积的调节和生理影响的模型。当食物通过前肠进入并沿着肠道消化吸收，APCs分泌作为果蝇胰高血糖素的Akh，以激活摄食和储存能量动员。与Akh相抗衡的是胰岛素样肽（Ilps），它是由位于中枢神经系统（CNS）前部的另一组神经内分泌ilp产生细胞（IPCs）分泌的。这两个神经分泌细胞延伸轴突，轴突在心脏的突触上释放激素，通过果蝇的血液来加强有效的代谢交换。当营养充足时，脂肪体表达Ilp和Akh受体并储存脂肪。脂肪体由多倍体细胞（有时是多核细胞）组成，这些细胞将脂质储存在称为脂滴的专门细胞器中，所吸收的膳食脂质被果蝇血液中的脂质蛋白以二酰甘油（DAGs）的形式从肠道运输出去，并以三酰甘油（TAGs）的形式储存在脂滴中。

在果蝇肥胖研究中发现了人类同源基因adp。adp活性的丧失促进脂肪储存增加。与脊椎动物体内的瘦素一样，果蝇体内的Upd2也是一种营养感受器，负责调节能量的摄入和消耗，并控制食欲。当Upd2到达大脑时，它调节胰岛素分泌，告诉果蝇储存营养和促进脂肪储存。

AKH和ilp通路是研究肥胖的关键通路，ilp通路主导脂肪合成；Akh途径调节脂肪分解。常见诱导果蝇肥胖的方法为高糖饮食和高脂饮食。高糖饮食诱导的Dilp2水平升高会促进脂肪细胞对糖的摄入和储存，加速脂肪的蓄积。高脂饮食诱导的肥胖受TOR通路调控。其下游靶点S6K促进脂肪合成，4EBP影响细胞生长和脂肪代谢。转录因子FOXO位于胰岛素受体下游并抑制脂肪细胞数量。Melt基因抑制FOXO活性。

(Keith D. Baker, et al. Cell Metab, 2005)

肥胖对行为和生理的影响

肥胖会导致机体出现多种生理和代谢变化，如氧化应激、脂质过氧化以及胰岛素抵抗等。氧化应激是指机体氧化与抗氧化系统失衡，氧化产物占优势，导致氧化还原信号和控制紊乱或分子损伤。肥胖可能通过破坏脂肪微环境、介导慢性炎症和线粒体功能障碍来诱导氧化应激的生物学过程。细胞中过量的活性氧产生会导致脂质过氧化。有研究表明神经元中线粒体损伤带来的氧化应激可以导致神经胶质细胞出现脂质堆积并过氧化，从而引起神经退行性疾病。胰岛素抵抗是指机体对胰岛素的敏感性降低，胰岛素不能有效促进葡萄糖进入细胞，导致血糖升高，进而可能引发Ⅱ型糖尿病。在果蝇研究中，研究者通常用细胞中AKT磷酸化水平、FOXO的核定位来检测胰岛素敏感性。

肥胖通过一系列细胞通路影响很多生理代谢指标，这必然也会影响行为的输出。高糖饮食可导致磷脂失衡，进而使饥饿驱动的进食行为丧失。UPD1-NPF神经回路可调节肥胖相关行为，介导果蝇对食物气味的响应。高脂/高糖饮食通过改变基因表达谱，影响果蝇感觉系统敏感性，介导对食物气味与甜味的感知。肥胖还会对寿命和繁殖产生影响，饮食诱导的肥胖果蝇寿命缩短，这可能通过upd细胞因子结合Dome受体激活细胞中JAK-STAT通路来介导。此外，肥胖会降低雌性果蝇的繁殖能力，父本高糖饮食还可通过表观遗传机制改变后代染色质状态，诱导代际肥胖。

运动与肥胖的内在联系

随着肥胖率的持续上升，探索可行、长期、安全的非药物干预手段成为公共健康研究的重要方向。运动作为一种低成本、广谱效应的干预方式，其生理与分子机制正在被逐步揭示。

临床和系统综述表明，不同类型的运动干预在减脂效果上存在显著差异。其中，高强度间歇训练（HIIT）和中高强度有氧训练（AE(V)）在体重、内脏脂肪、皮下脂肪、BMI 等多个指标上具有更优效果，为个体化运动干预提供了实践参考。饮食+运动的组合干预被证实比单一干预更具效果，也突出了运动在多模态治疗中的关键地位。

在组织水平，运动能够促进脂肪组织的血管新生、增强氧合能力，并有效降低促炎细胞浸润，改善组织微环境。蛋白质组学和磷酸化组学进一步揭示了运动对脂肪组织功能的深度重塑，包括脂肪酸代谢、TCA循环、热量产生、PPAR信号通路等的广泛激活。其中，AMPK、FoxO、VEGFα等信号因子的上调在代谢适应中发挥核心作用，提示运动效果的信号通路基础。

在分子层面，AMPK 作为细胞能量状态感应器，是连接能量代谢、线粒体功能和脂肪氧化的枢纽。运动诱导下，ATP 降低、AMP 上升，激活 AMPK 进而调控 GLUT4、ACC、CPT1、PGC-1α、自噬与脂肪酸转运等多个通路，实现从能量获取到代谢应激的综合响应。

在神经行为层面，运动的动机与反馈机制也逐渐被明确。多巴胺奖赏系统功能受肥胖状态抑制，而中等强度有氧运动可恢复其释放速率与再摄取效率，尤其在雌性个体中更为显著。进一步研究表明，肠道菌群通过代谢产物（如OEA）调节外周感觉神经元（如TRPV1）活性，并通过多巴胺通路影响运动表现和动机，构建出“肠道–感觉神经–中枢奖赏系统”的完整调控轴。该机制解释了个体运动意愿与能力的差异，为开发“运动动机增强剂”提供了潜在靶点。

果蝇作为经典模式动物，凭借可控的遗传背景和成熟的运动诱导系统，成为研究运动机制的重要模型平台。相关研究利用 GAL4/UAS 系统进行脂肪组织和心肌特异性操控，证实耐力运动可缓解遗传性肥胖与高脂饮食引起的代谢紊乱和心功能障碍。具体机制涉及 FOXO 上调与 SREBP 抑制，进一步验证了保守信号通路在不同物种中的功能一致性。

综上所述，运动作为非药物干预手段，在分子、细胞、组织、行为乃至群体层面展现出广泛的调控潜能。它不仅通过激活代谢路径、改善脂肪结构、优化能量分布来实现生理改善，更通过调节神经奖赏系统和微生物脑轴促进行为改变，为慢性代谢性疾病的综合管理提供了强有力的科学支持与理论基础。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2025-03-27 Journal Club PPT

by 朱培雯、姜思梅、梁子健

2025年03月27日，我们将进行2025年度第一次Journal Club，组织者为朱培雯，参与者有姜思梅、梁子健。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：When Flies Get Fat: How a Tiny Insect Reveals Universal Secrets of Obesity

报告内容：

12:00-12:30 The Causes and Underlying Mechanisms of Obesity——朱培雯

12:30-13:00 The Behavioral and Physiological Effects of Obesity——姜思梅

13:00-13:30 The Intrinsic Relation Between Exercise and Obesity——梁子健

13:30- 讨论

Juvenile Hormones: Guiding the Lives of Insects

背景

在昆虫中保幼激素是一种独特的倍半萜类激素，可调节昆虫变态和昆虫繁殖。昆虫的发育模式因种类而异，通常可分为以下几类：1.无变态发育：这种模式下，昆虫从幼体到成体的形态变化不大，例如一些原始昆虫。2.半变态发育：昆虫经历前若虫期、若虫期和成虫期三个阶段，形态逐渐接近成虫，例如蝗虫和蟑螂。3.完全变态发育：这类昆虫经历幼虫期、蛹期，最终羽化为成虫，幼虫和成虫之间形态差异显著，如蝴蝶和甲虫。4.介于完全变态与不完全变态之间的特殊发育：例如白蚁，其发育过程包括幼虫期、前蛹期或蛹期，最后变为成虫，具有一定的独特性。而在这些昆虫的发育和繁殖中，保幼激素发挥着很重要的功能，现在已经发现的保幼激素有8种，人工合成的有3种。

• 过去和现在对保幼激素功能的见解

早在1934年，VincentB. Wigglesworth通过对吸血接吻虫的研究，首次证明若虫血淋巴中循环存在一种激素，可以防止变态。通过一系列联体共生实验，Wigglesworth发现，若虫头部区域释放出一种抑制变态的激素。1940年，他通过将各种器官植入喂食的断头四龄若虫中，证明只有corpus allatum分泌“抑制激素”，此时，他将这种抑制变态的激素命名为“保幼激素”。1959年，Williams从冰冻的天蚕腹部提取保幼激素，因为这种蚕蛹的脂肪体中含有类胡萝卜素，提取物呈黄色，所以他当时称其为“黄金油”。1967年，Röller等人对这种“黄金油”中的保幼激素进行了化学测定。并鉴定出JH I。随后又从天蚕蛾蛹中鉴定出JH Ⅱ（仅存在于鳞翅目中）,JHIII、JH0和4-甲基-JHI从鳞翅目烟草天蛾中提取出来，JHB3在果蝇中发现，JHSB3在臭虫中发现，甲基法尼酯(MF)是甲壳动物的保幼激素。

1986年TomWilson用含有高浓度JH类似物JHA的饮食饲养果蝇幼虫，产生了一种突变体，其对JH的抵抗力比亲本野生型高约100倍，他们将其命名为Methoprene(Met)，2007年Konopova和Jindra表明通过RNAi抑制Met表达，导致总共7龄幼虫期的幼虫在五龄或六龄后过早化蛹。并且蛹很小，无论是喂食JHA还是JHIII都不能有效地使Met RNAi的面粉甲虫蛹延迟形成。因此，他们认为Met是JH的受体。此外Gce也是JH的受体之一。Met²⁷和gce^2.5k共突变体使果蝇2龄幼虫的脂肪体中Kr-h1表达降低，说明Kr-h1是JH的下游。蜕皮激素20E作为昆虫生长发育的另一个重要激素，其与JH共同调控昆虫的生长发育，Broad和E93分别作为昆虫若虫/蛹期和成虫期的调控因子，JH和20E在不同的阶段对这两个调控因子发挥不同的功能。

在桑蚕中，Ast神经元会释放AST-C来抑制CA中JH生物合成。交替神经元释放AT，作用于其同源受体，刺激贲门体中sNPF的产生。sNPF作用于两个sNPF受体BNGR-A10和BNGR-A11，抑制JH生物合成的信号转导。在果蝇中，AST-C作用于环腺内的CA受体，抑制MF、JHIII和JHB3生物合成。气管上腺内的Inka细胞释放的ETH与ETH受体相互作用，刺激MF、JHIII和JHB3生物合成。MF和JHIII（可能还有JHB3）与其受体Met/Gce结合，激活转录因子Kr-h1，其功能是抑制前胸腺中的蜕皮激素生物合成。果蝇大脑中的IPC会分泌Dilps作用于CA分泌JH，JH可作用于中肠分泌NPF，NPF又作用于IPC，形成脑-肠环路。

• 保幼激素与发育

对大多数生物来说，遗传物质的传递是通过有性繁殖来实现的，但这通常需要经历一段从青少年到成年期的过渡从而达到性成熟。不管是哺乳动物还是昆虫，都要经历激素信号调节这一复杂的过程。性成熟相关的神经激素调控通路，在哺乳动物里被命名为HPG轴，在果蝇里被称为促胸腺激素-前胸腺轴。神经激素轴在昆虫发育中的作用仍不清楚。在昆虫的神经激素中，保幼激素是非常重要的一个分子，在昆虫的多种发育和生理过程中起到关键性的调控作用。尽管不完全变态发育和完全变态发育的昆虫有着不同的发育模式，但保幼激素在昆虫中发挥着高度保守的生物学功能。

果蝇环腺（RG）是协调主要发育转变的控制中心。它是一个复合器官，由PG、CA和CC组成，每个器官合成和分泌不同的激素。使用细胞死亡基因grim杀死产生JH的CA细胞。这些化蛹（CAX）幼虫在化蛹时较小，在头部外翻时死亡。即不影响果蝇正常化蛹，但影响幼虫体型以及导致蛹期死亡。Met、Kr-h1这些JH的下游靶点都在PG中有很高的表达，以及在PG中敲低JH受体的表达，Kr-h1的表达也明显被抑制。说明JH通过其受体，作用在PG，启动Kr-h1的表达。JH通过Kr-h1抑制PG中的蜕皮激素生物合成来防止果蝇羽化。

JH通过调节BR表达来调节蛹的发育和蛹-成虫转化，转录因子E93是促进半变态昆虫成虫变态的关键决定因子，E93也是全变态果蝇成体分化所必需的。JH通过直接抑制Kr-h1依赖的E93基因来阻止早熟的幼虫-成虫变态

雄性附属腺细胞（AG）在羽化后立即开始进行内循环,内循环细胞可以现>200,000C（染色质值）的倍性，基因组DNA含量的增加允许更高的基因组输出，这可以促进非常大的细胞的构建或增强大分子分泌。AG的主要细胞DNA合成的高峰期和JH表达量具有同步性，在AG里敲低JH合成的关键酶，会抑制AG主要细胞的DNA合成，以及影响AG腺体大小，AG腺体大小与DNA倍数正相关，以及影响生殖能力。JH增加Or47b的敏感性，这会介导与年龄相关的求偶增强行为。JH促进昆虫的卵黄发生和产卵，Met，Gce的突变体果蝇排卵不足和卵子形状发生异常，其也是通过Kr-h1调控的。

跳蚁可以在成年后改变等级。当蚁后死亡或被移出蜂群时，工蚁进入决斗比赛，直到少数成为可繁殖个体。该个体称为Gamergate，其放弃了worker任务，例如觅食，但表现出产蛋，并对worker表现出主导行为。这种行为转变伴随着5倍的寿命延长、大脑基因表达和细胞组成的重新配置以及神经激素的变化。Kr-h1在工蚁和蚁后的成熟过程中都是表达升高的，这提示Kr-h1的表达水平可能是在个体的社会等级建立过程中上调。Kr-h1响应JH3和20E结合并调节worker细胞和Gamergate中的不同靶基因。在worker基因中，Kr-h1抑制通常在Gamergate中以较高水平表达的基因，而在Gamergate中，它抑制worker基因偏向基因。

• 保幼激素与行为

JH在本能行为中，例如果蝇求偶，学习记忆以及性别二态性行为中发挥着很重要的功能。

果蝇的睡眠模式呈现性别二态性，雄性白天睡眠量高于雌性。JHAMT过表达扩大性别差异，功能缺失则增大雌性睡眠量、降低雄性睡眠质量，可通过JHA部分恢复。Gce缺失突变体表现性别二态性睡眠，JHA无法挽救，而met突变体未显现二态性，但高浓度JHA可诱导，表明Gce是JH信号通路的关键受体。JH-GCE信号通过调控fru和dsx等性别决定基因，维持雄性和雌性特异性睡眠模式，协同调节睡眠性别二态性。

α1/β1 KCs的自发活动及成熟对果蝇学习与记忆至关重要，其成年早期的高活性是建立成熟学习回路的关键。其活性随年龄下降，学习能力增强，这由JH信号通路调控。敲低JH受体Met和Gce会阻断α1/β1的活性下降，表明JH在敏感期通过调控α1/β1活性促进学习成熟。ETH-JH激素级联在求偶长期记忆（LTM）中起关键作用。在CA中敲低ETHR，ETH-JH信号的干扰导致LTM缺陷，Met的敲低足以导致LTM缺陷，而Gce基因的敲低不会显著影响记忆表现。

JH通过Met受体调控果蝇雌性交配行为和吸引力。缺乏JH的雌性吸引力降低，与性信息素（CHC）表达谱变化相关，尤其是C25和C27减少。JHM可恢复C27合成。Met突变体雌性吸引力较高，与C27增加有关，而CAX雌性吸引力降低则因C27和C29减少。蜕皮触发激素（ETH）通过调节幼体激素（JH）影响果蝇的求偶行为。多巴胺神经元是JH信号的关键靶点。在这些神经元中，沉默JH受体Met或Gce均会显著损害记忆，但不会影响求爱行为强度；单独敲低一种受体不会导致记忆缺陷，表明两者具有功能补偿性。

在其他昆虫中，无论是在黑蚁蚁后行为和生殖特征中，在蚂蚁和大黄蜂的等级制度和生殖行为中，还是在蝗虫中调控聚集行为中都发挥着不可或缺的功能。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2024-12-26-Journal-club-PPT

by 李小龙、邢丽敏、王蓉

2024年12月26日，我们将进行2024年度第十次Journal Club，组织者为李小龙，参与者有邢丽敏、王蓉。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：Juvenile Hormones: Guiding the Lives of Insects

报告内容：

12:00-12:30 Overview: Past and Present Insights into the Function of Juvenile Hormones——李小龙

12:30-13:00 Juvenile Hormones: Key Regulators of Development——邢丽敏

13:00-13:30 Juvenile Hormones: Shaping Innate Behavioral Patterns——王蓉

13:30- 讨论

Statistical and Computational Methods in Neuroscience

在本次主题为 “Statistical and Computational Methods in Neuroscience” 的Journal中，我们全面探讨了统计方法和高级计算工具在神经科学中的应用。随着数据复杂性和维度的不断提升，传统统计方法已逐渐暴露出局限性，而现代计算技术为我们提供了更强大的工具，帮助从数据中提炼出深层次的生物学规律。内容分为三个核心部分：

1. 从统计方法到数据驱动神经科学
2. 探索组学数据：技术与统计工具
3. 高级计算技术在组学与行为数据中的应用

通过本次Journal，我们展示了统计学与计算工具如何在神经科学数据分析中相辅相成，为神经系统功能与疾病机制研究提供新的思路。

Part I: 从统计方法到数据驱动神经科学

统计学是数据分析与科学推断的基石，贯穿了神经科学的发展历程。从17世纪John Graunt分析《死亡账单》揭示人口规律，到20世纪Ronald Fisher提出方差分析（ANOVA）和最大似然估计（MLE），统计学逐渐从描述性工具发展为推断与建模的科学。进入21世纪，统计学与计算科学深度融合，机器学习和人工智能等技术开始推动神经科学数据分析的变革。

然而，神经科学实验中的数据复杂性对传统统计方法提出了挑战。以组内相关性和时间重复测量为例，单一实验中来自同一动物的多个神经元数据往往高度相关，传统方法如t检验和ANOVA假设数据独立，容易产生错误的统计结论。线性混合效应模型（LME）通过引入固定效应和随机效应，能够建模数据的层级结构，有效解决相关性带来的假阳性问题。例如，在pCREB染色强度实验中，LME模型识别出只有24小时和48小时数据点具有显著差异，而传统线性模型得出的结果显著夸大。

随着数据维度的增加，回归分析和特征选择成为数据建模的重要工具。回归不仅能量化变量间的关系，还可预测未知结果。例如，刺激强度与神经元放电频率的关系可以通过回归建模进行量化。在高维数据中，传统回归方法易出现过拟合问题。LASSO正则化通过引入惩罚项，有效提高模型的泛化性能。而随机森林等集成方法不仅用于分类，还能筛选出影响结果的关键特征，提升模型解释力。

在应对高维数据时，降维技术是不可或缺的工具。PCA提取解释数据方差最大的方向，适用于探索性分析，而LDA则用于分类任务，通过最大化组间差异与最小化组内差异提取关键特征。此外，Demixed PCA能够同时解耦任务条件与时间因素，在复杂实验设计中展现出强大能力。这些统计工具的综合应用，为神经科学数据提供了更为全面的解析途径。

Part II: 探索组学数据：技术与统计工具

随着基因组学和转录组学技术的快速发展，神经科学研究进入了组学数据驱动的新时代。二代测序（Next-Generation Sequencing, NGS）和三代测序（Third-Generation Sequencing）为我们提供了高通量、全基因组范围的数据，使我们能够精细解析基因表达的动态变化和调控机制。二代测序以Illumina平台为代表，依靠边合成边测序（SBS）原理，具有高通量和高准确率的优势，广泛应用于差异表达分析和基因组变异检测。然而，由于读长较短，二代测序在解析复杂基因结构和长转录本方面存在一定局限。三代测序，如PacBio SMRT和Oxford Nanopore技术，通过实时检测单分子DNA或RNA分子的信号，能实现长读长测序，为复杂基因组拼接、基因融合事件和RNA修饰研究提供了新的工具。

基因组和转录组数据的标准化分析流程是组学数据研究的基础。对于基因组数据，分析流程包括数据质控、比对、变异检测和功能注释。研究者通过工具如BWA和GATK，将高通量数据比对到参考基因组，识别SNP、InDel等变异，并通过GO和KEGG分析揭示这些变异在生物功能上的潜在影响。转录组数据的分析则聚焦于基因表达水平及其变化，通过Hisat2或STAR进行序列比对，结合RSEM或FeatureCounts进行表达定量，随后使用DESeq2或edgeR进行差异表达分析。这一系列步骤确保了从原始数据到生物学发现的严谨性与可重复性。

在转录组数据分析中，共表达网络分析（WGCNA）是一种强大的工具，用于识别与表型显著相关的基因模块。WGCNA通过加权网络的构建，将基因表达数据转化为模块化的网络结构，并基于拓扑重叠度（TOM）聚类高相关性的基因，形成功能相关模块。研究者通过分析模块与表型的相关性，进一步筛选出关键基因，为揭示基因调控网络及其在神经系统发育和疾病中的作用提供了依据。WGCNA不仅简化了高维数据的复杂性，也为后续的功能验证和机制研究提供了方向。

通过二代与三代测序技术的结合，神经科学研究实现了基因表达和调控的全景解析。标准化的数据处理流程和网络分析工具，使我们能够从海量组学数据中筛选出与疾病状态、神经元功能及行为调控密切相关的基因和通路。这些技术为我们理解神经系统的复杂调控网络及其动态变化提供了精准而高效的解决方案。

Part III: 高级计算技术在组学与行为数据中的应用

面对高维、非线性和异质性极高的数据，传统的统计学方法逐渐显现出局限性。高级计算技术，包括非负矩阵分解、流形拟合、因果推断和深度学习模型，为组学与行为数据的深入解析提供了强大的工具支持。

非负矩阵分解（NMF）作为一种经典的降维方法，通过将数据分解为非负的特征矩阵和权重矩阵，能够提取数据中的潜在模式。在基因表达数据中，NMF帮助研究者识别出功能模块，揭示不同细胞类型或疾病亚群的关键特征。例如，在肿瘤数据中，NMF有效地解析了肿瘤内部的异质性，为临床分型和靶向治疗提供了理论依据。同样，在神经科学领域，NMF应用于单细胞RNA数据，提取特征基因模块，揭示神经元亚型的特异性功能。

然而，NMF基于线性假设，难以处理复杂的非线性数据。流形拟合方法通过保留数据的几何结构，有效解决了非线性数据降维问题。例如，scAMF算法通过流形拟合重构单细胞数据的底层结构，实现了高重叠类群的精准分离。在Usoskin数据集中，scAMF成功揭示了感觉神经元的功能分化，进一步展示了流形学习在高维神经数据中的应用潜力。

因果关系的推断是神经科学研究的重要问题。孟德尔随机化（MR）通过基因变异的随机分布，模拟随机对照试验，克服了观察性研究中混杂因素的影响。例如，基于GWAS数据的MR分析揭示了运动网络增强与自闭症风险降低的因果关系，同时表明ADHD可能反馈调节前额叶网络的功能特征。这一方法为理解大脑网络与精神疾病的因果关系提供了坚实的理论基础。

深度学习技术，尤其是Transformer模型，彻底改变了组学数据的分析方式。Transformer通过多头注意力机制捕捉数据的上下文关系，能够有效处理高维、稀疏的单细胞RNA数据。在基因调控网络推断中，Transformer通过生成注意力分数矩阵，识别潜在的基因间调控关系。此外，Transformer在多模态数据整合方面表现出色，为细胞类型注释、扰动效应预测等任务提供了高效解决方案。

深度学习还在行为数据分析中展现出显著优势。例如，卷积神经网络（CNN）用于分析动物行为，通过自动提取时空特征实现精确分类，而强化学习通过模拟个体与环境的交互，揭示决策机制背后的神经基础。在焦虑行为的研究中，强化学习模型表明高焦虑个体更倾向于回避惩罚，并揭示了焦虑与决策平衡机制之间的关联。这些结果为理解复杂行为的神经机制提供了新的计算框架。

Journal总结：

本次Journal从传统统计学方法到现代计算工具的深度融合，系统梳理了数据驱动神经科学的分析框架。在统计方法层面，回归预测、特征选择和降维技术为高维数据提供了有效的解析工具。在组学数据层面，二代与三代测序技术的结合、标准化数据处理流程以及WGCNA等网络分析方法，为揭示基因表达与神经功能的关系提供了系统化的解决方案。而在高级计算层面，非负矩阵分解与流形拟合帮助研究者从高维非线性数据中提取核心模式，孟德尔随机化为因果推断提供了强有力的工具，Transformer模型与深度学习则通过挖掘复杂的上下文关系，实现了多模态数据的整合与预测。

通过这些工具的结合，我们不仅能够从高维数据中提炼出关键的生物学信息，还能揭示复杂的调控网络与功能机制。这一过程代表了神经科学研究从实验数据向大数据、从描述性分析向因果推断的跨越。未来，随着计算工具的进一步发展，我们有望实现更精准的生物学建模，推动神经科学研究迈向新的高度。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2024-11-28-Journal-club PPT

by 梁子健

2024年11月28日，我们将进行2024年度第九次Journal Club，组织者为梁子健，参与者有陈东亮、彭琼琳。Journal Club的总结及报告内容（slides）将在会后张贴出来。

报告主题：

Statistical and Computational Methods in Neuroscience

报告内容：

16:00-16:30  From Statistical Approaches to Data-Driven Neuroscience —— 彭琼琳

16:30-17:00  Exploring Omics Data in Neuroscience: Techniques and Statistical Tools —— 陈东亮

17:00-17:30  Advanced Computational Techniques in Omics and Behavioral Data —— 梁子健

17:30-讨论

MicroRNAs: The Victor of Nobel Prize Arena

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2024-10-28 Journal club PPT

by 关文月

蚊子别咬我——蚊子feeding行为及其影响因素

蚊子是日常生活中惹人厌烦的昆虫。尽管体型微小，但它在卫生领域的重要性不容小觑，目前在造成人类死亡的动物中排行第一，是当前全球最具影响力的卫生动物。而它之所以会对人类产生如此大的威胁，很大程度上是因为雌性蚊子在吸食血液时，会传播疾病。所以，本次这次journal的主题是关于蚊子的feeding行为以及分析了影响feeding行为的内外影响因素。本实验室之前Journal Club探讨过蚊子的追寻宿主行为（详见2022年6月内容），所以本次主要是对之前的一些补充，以及这两年新发现的研究成果，对蚊子feeding有一个更完整的认识。

1. 蚊子feeding行为的研究概述

蚊子生活史的四个主要阶段，即卵、幼虫、蛹和成虫。雄蚊以花蜜和其他糖源为食，而雌蚊也需要花蜜为食，之后则需要吸血来成熟卵子。蚊卵中的大部分脂质来自母体脂质沉积。这些脂质是在血餐后产生的，只有一小部分的卵中脂质是由糖餐产生的脂质。蚊子寻找花蜜主要依靠视觉线索、嗅觉线索和味觉线索。Orco突变的蚊子严重降低了蜂蜜对其的吸引力。与蚊子寻找宿主一致，蚊子寻找花蜜也依靠二氧化碳。尽管目前取得了一些进展，但目前针对寻找花蜜背后的神经机制及神经环路研究仍然较少。

蚊子的吸糖行为会对吸血行为有什么影响呢？有一种假说，即寻找宿主的行为可能与雌蚊的营养储备有关，当能量水平变低，寻找营养丰富血液的行为就会被触发。实验发现，喂食蔗糖浓度越高，蚊子越不易被血液吸引。当它们吃糖时，卵黄蛋白Vg-2表达得更多，蚊子吸血的冲动就越低。

蚊子对宿主的选择具有偏好性，一些物种以广泛的宿主为食，一些物种喜欢以特定的宿主物种为食，还有一些蚊子是机会主义者，会选择可获得的宿主吸食血液。对于那些可以进行培养的蚊子，实验室行为研究包括在双选择嗅觉计、风洞和选择室中进行观察。这种方法的局限是，宿主偏好性可能会因压力、选择性繁殖和缺乏自然环境条件而丢失。还有另一种方法就是在野外捕获蚊子，然后通过血液成分分析，来确定宿主偏好性。但局限是蚊子往往偏向于当地最丰富的宿主物种，而不是最偏好的。蚊子的进食可以分为三个阶段，穿透、探测和进食。目前也开发了一些平台，比如BiteOscope，利用摄像和数据分析来检测细致的蚊子行为。

蚊子对宿主的偏好性是可以被改变的吗？答案是可以的。这里举两个例子，分别是学习和病毒感染。当蚊子遇到防御性宿主时，暴露于机械扰动，当与其他与宿主相关的线索如宿主气味配对时，会被蚊子视为负强化。学习宿主气味和机械扰动之间的联系，蚊子将不偏好该宿主，多巴胺在其中发挥着关键作用。这也是第一次研究到学习可以改变宿主偏好性。黄病毒可以操纵宿主皮肤微生物群，产生吸引蚊子的气味苯乙酮。伊蚊更喜欢寻找和叮咬被登革热和寨卡病毒感染的小鼠。黄病毒感染抑制了宿主皮肤上必需的抗菌蛋白RELMα的表达，从而导致产生苯乙酮的共生细菌的扩增，导致高苯乙酮水平。鉴于RELMα可以由维生素a衍生物特异性诱导，可对感染者广泛补充维生素A或相关药物，有效防止蚊虫传播病毒。

2.支配进食行为的内部机制

简单来说，蚊子吸血这件事情只发生在雌蚊身上。雌蚊为什么要吸血？在交配过后雌蚊便会从吸取糖水或露水转向吸食血液，血液输送至胃和中肠消化吸收。血液中的物质或胃的膨大均会刺激脑中枢分泌激素给卵巢，控制卵巢的发育和成熟。在吸血过后的两到三天内，雌蚊的卵巢发育成熟，并且得以产下数百颗的卵。什么控制了这种进食行为的转变？其背后的复杂机制仍未有明确的答案。有部分科学家认为肠道中的某些神经元会分泌NPF或RYamide激素，共同作用来调控宿主对于蚊子的吸引力。

而我们更聚焦在蚊子整个吸血过程背后的调控？是什么调控了吸血行为的起始？是什么能够维持蚊子的持续吸血？又是什么促使了吸血行为的终止？

蚊子的口器压在人类皮肤上时会产生一定的唾液，而唾液中存在的LIPS蛋白会通过结合口器前端的Cp19蛋白，进一步影响口器的结构改变，导致蚊子的口器更深地插入人类的皮肤。而进一步产生的唾液中含有的活性蛋白可以有效地阻挡宿主的免疫反应。唾液中存在多样的活性蛋白，例如D7蛋白，sialokinin，aegyptin，腺苷脱氨酶等等。科学家们认为，多样的唾液蛋白存在的功能并不冗余。D7蛋白能够阻止宿主的血管扩张和血小板的聚集，而不影响宿主血液的凝固。Aegyptin可以填补上这块空白，它通过与胶原蛋白结合，从而有效地阻止血小板的聚集和血液的凝固。当然，在整个吸血过程中同样存在着负反馈调控。例如，在凝聚酶对纤维素原的切割过程中所产生的FPA。在整个积累过程中，FPA达到一定浓度便可有效地终止蚊子的吸血。除此之外，蚊子的腹部还存在一些机械感知受体，但由于技术问题，至今还未检测出来。科学家认为可能存在类似果蝇中的piezo受体，可以将饱腹的信号传递给中枢系统，进一步有效地终止吸血这个行为。

除此之后还有很多生理性因素会影响雌蚊的吸血。例如，肠道中的菌群互作影响，病毒的寄生，还有雌蝇本身的生理状态，例如是否交配或个体大小等等。但是，可能受困于工具技术，蚊子吸血行为背后的神经元环路还有很大的探索空间。终有一天，也会给我们带来更有趣的研究。

3.影响进食行为的外部环境

许多外部因素都能影响蚊子寻找宿主以及吸食血液的能力，这对于蚊媒疾病的防治至关重要。蚊子主要依靠三种感觉系统，视觉、嗅觉和味觉来感知外部环境的变化和宿主存在的信息。蚊子被宿主释放的二氧化碳、热量和气味所吸引。一旦蚊子落在宿主的皮肤上，味觉系统就变得重要，在此期间，蚊子感知宿主皮肤和血液的味道。蚊子化学感觉器官表面有叫做感觉器的结构，包裹着嗅觉受体神经元ORN或味觉受体神经元GRN。这些神经元上相应的受体蛋白能与外部化学物质结合，将信号逐级传递，最终调控蚊子的行为。随着科学技术的发展，蚊子利用感觉系统感知宿主并吸血的分子机制也逐渐被揭示。

蚊子能通过视觉线索直接感知宿主的防御行为，并减少对血源的进食，从而避免潜在的威胁。此外，气味是蚊子发现宿主的关键，CO₂是蚊子首先感受到的宿主线索，也是对宿主的定位所涉及的最重要的嗅觉刺激之一。科学家发现下颚须感觉器中一种表达GR22、GR23和GR24受体的ORN对CO₂有反应。另外，离子型受体Ir76b、气味结合蛋白OBP1也感知宿主皮肤散发的气味，它们的缺失都导致了蚊子的血液进食缺陷。当蚊子已经接触宿主，它们需要味觉系统来分辨食物成分与品质。雌蚊有两种进食需求，一种是花蜜进食，主要提供糖类，另一种是血液进食，提供蛋白质来保证产卵繁殖。这两种不同的食物是如何检测并区分的？科学家发现蚊子的唇部具有多种糖感知GR受体，用来检测花蜜，而口针上不存在这些受体，其上的神经元特异性检测血液并对血液的不同成分具有不同的反应。

另外自然环境也影响着蚊子对宿主的感知与吸血行为。蚊子触角中Ir93a依赖性感觉器介导了对宿主温度、湿度及产卵地湿度的检测。Ir93a的突变损害了蚊子寻找宿主的能力。除此之外环境的湿度、光照及光周期均会影响蚊子的宿主寻找或吸血行为。这对于病媒控制提供了新策略。

目前许多物质已经被确定为蚊子驱避剂，避蚊胺DEET是最有效和应用最广泛的一类合成驱蚊剂。研究表明，在嗅觉感知方面，致倦库蚊利用气味受体CquiOR136来检测包括DEET在内的多种驱蚊剂。此外蚊子也通过直接接触的方式感知DEET，这是通过腿部跗节介导的。对于避蚊胺作用机制的揭示也为寻找和开发更安全、更环保的替代品奠定了基础。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2024-09-26 Journal club PPT

by 李子奇、金思慧、姜思梅

2024年09月26日，我们将进行2024年度第七次Journal club，组织者为李子奇，参与者有金思慧、姜思梅。Journal club的总结及报告内容（slides）将在会后张贴出来。

报告主题：
Don’t bite me, mosquitoes!

报告内容：
12:00-12:30  Overview of mosquito feeding——李子奇
12:30-13:00  The internal mechanisms govern feeding——金思慧
13:00-13:30  The external environment affects feeding——姜思梅
13:30-讨论

昆虫“劳模”之蜜蜂

蜜蜂指的是——Apini部落，Apidae科昆虫中的任何一种，从广义上讲，包括所有能制造蜂蜜的蜜蜂。狭义上讲，蜜蜂指蜜蜂属的七个成员中的任何一个，而且通常只适用于单一物种，即家养蜜蜂。蜜蜂在整个蜂类物种中占比少于百分之五，且它作为传粉的专家对许多经济作物有着重大的意义。蜜蜂的种类有很多我们关注的这类蜜蜂属于膜翅科，当然膜翅目还包括了大黄蜂。本次Journal 我们将分三个部分简单介绍下这种重要的社会性昆虫。

• 蜜蜂的简单概况

蜜蜂的眼睛包括两只大复眼和三只简单的眼睛，呈三角形排列位于头顶。每只复眼由数千个小眼构成，每一个小眼都有一套集光和感光系统。拥有敏锐的视力辅以两根灵敏的气味检测触角使得蜜蜂可以清楚的寻找资源以及躲避。蜜蜂具有出色的视力，包括色觉。蜜蜂可以看到从 300 nm 波长到 650 nm 波长的颜色范围。这个范围意味着蜜蜂看不到红色。蜜蜂可以看到人类看不到的紫外线色谱，以及除红色以外的全色范围。

蜜蜂的性别是由csd基因及其等位基因组成以及蜂王是否选择使她的卵子受精决定的。在早期胚胎发生中，雌性性别决定途径完全由csd基因诱导。在后期和整个发育过程中，这种诱导信号通过fem基因的正反馈回路来维持，其中 Fem 蛋白介导其自身的合成。蜜蜂是典型的群居性昆虫，群体由一只蜂王，少数雄蜂和大量工蜂组成，任何个体离开群体都无法独自生存，群体缺少任何一种蜜蜂也无法正常生存。蜜蜂有两种性别，雌性分为工蜂（蜂群中数量最多承担多项工作例如清洁蜂、哺育蜂、觅食蜂）、蜂后（被喂食蜂王浆，寿命最长负责产卵），雄性为雄蜂（与蜂后交配寿命最短）。研究发现调节蜜蜂社会分工可能的原因包括miRNA分子、JH保幼激素、OA章鱼胺、Nb-1转录因子、Dnmt3 DNA 甲基转移酶、m6A修饰等，以及速激肽信号可以保证工蜂分工的专业化程度。蜜蜂的“无私”体现在：1、酿造“成本大”的蜂蜜，一生都在勤劳工作。2、面对寄生虫感染利用社交距离来平衡风险和收益。

蜜蜂通过信息素、跳舞以及物理接触来与种群沟通。蜂群的信息素包括蜂王信息素、工蜂信息素、雄蜂信息素以及幼虫信息素，在不同的社会分工中利用不同的信息素来传递信息。蜜蜂通过跳舞来传递食物的信息——食物来源方向:摇摆方向与重力方向的夹角，直线伸展与垂直方向之间的角度恰好是飞行方向与太阳位置的角度，到食物源的距离由摇摆舞的持续时间提供。此外蜜蜂可以通过胸部振动或翅膀振动来发出信息，它们也可通过交喂的方式传递食物。

• 蜜蜂的打斗与防御行为

蜜蜂的打斗与防御通常出现在以下几种情况中：1、保护资源（食物）2、蜂群中出现两只蜂后3、感知到危险（天敌）。当巢穴被入侵时，守卫蜂会首先加入战斗随后“消息”传递至蜂群内部，打斗方式较为激烈，两只蜜蜂会扭打在一起同时会蛰向对方；在一些特殊情况中比如分巢时，巢穴中往往会出现不止一只蜂后，这时两只蜂后会进行激烈的“王位争夺战”直到只有一只胜利者出现，它会成为新蜂巢中唯一的蜂后；当天敌来临时，守卫蜂将预警消息传递至蜂群内部，此时“繁忙”的蜂群会发出“停止信号”，它类似于安静信号以减少声音躲避天敌，当大战不可避免时（例如大黄蜂在蜂巢外捕食蜜蜂）越来越多的工蜂会簇拥而上，呈现出“防御球”将天敌牢牢包裹住，球内部的高温以及缺氧加上蜜蜂的蛰刺会逐渐让天敌失去战斗力并死去。在这些行为过程中不同信息素在群体交流、释放出危险或警示信号发挥着至关重要的作用。

• 蜜蜂的行为决策

蜜蜂群体是自然界中典型的集体行为之一，具有完善的功能特征和较强的适应性。蜜蜂的决策主要体现在对食物、巢穴的选择上。其中花的不同视觉线索吸引蜜蜂降落(如完整、大小、颜色等)，在这个过程中嗅觉和味觉参与了蜜蜂对花蜜品质的选择，当然蜜蜂的觅食决定也受到其他各种外部因素的调节。然而，蜜蜂缺少有效的遗传操作来深入探究这些行为产生的机制和神经环路，影响群体决策行为的各种因素及其调控机制尚不清楚。蜂群决策特点总结为：1.侦察蜂的组织方式提高了群体内知识的多样性；2.在参与决策过程时，侦察蜂没有表现出从众或盲目模仿他人的倾向；3.群体感知过程会以一种平衡决策准确性和速度的竞争需求的方式，聚集不同的独立的意见。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2024-07-26 Journal club PPT

by 王蓉 高灿 邢丽敏

2024年07月26日，我们将进行2024年度第六次Journal club，组织者为王蓉，参与者有高灿，邢丽敏。Journal club的总结及报告内容（slides）将在会后张贴出来。

报告主题：A simple understanding of honeybees

报告内容：

12:00-12:30  Overview of honeybees   ——王蓉

12:30-13:00  The aggressive and defensive behavior of bees   ——高灿

13:00-13:30  The decision-making behavior of honeybees  ——邢丽敏

13:30-讨论

模式动物中血清素能系统的作用

生物胺广泛存在于无脊椎动物和哺乳动物中，作为神经元通信的载体，参与调节生物体的多种生理和病理过程。它们是一类具有生物学功能的低分子量含氮有机碱。生物胺根据其化学骨架的不同被分为儿茶酚胺（如：多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素）、吲哚胺（如：5-羟色胺）和咪唑胺（如：组胺）。5-羟色胺作为重要的神经递质在果蝇这一模式生物中的作用尤为引人注目，它在神经传递、行为调控和生理过程中发挥着重要功能。

1、血清素能系统简介

5-羟色胺（5-HT），又叫血清素，具有重要的作用，能够影响情绪、认知、睡眠、记忆等。5-羟色胺的生物合成始于色氨酸，在色氨酸羟化酶（TRH）的作用下转化为5-羟色氨酸（5-HTP），这是一个限速步骤。第二步中，5-羟色氨酸在多巴脱羧酶（DDC）/芳香族氨基酸脱羧酶（AADC）的作用下产生5-羟色胺。5-羟色胺在突触前合成后被囊泡单胺转运体（VMAT）转运至囊泡中再经胞吐释放到突触间隙作用于后膜上的5-羟色胺受体，启动细胞级联反应。目前已有5种5-羟色胺受体在果蝇中被鉴定出来，分别是5-HT1A、5-HT1B、5-HT2A、5-HT2B及5-HT7。5-HT1A和5-HT1B偶联抑制性Gi/Go蛋白，抑制腺苷酸环化酶（AC）活性而降低胞内cAMP水平。5-HT2A和5-HT2B与Gq偶联，通过激活磷脂酶C（PLC）途径导致钙水平升高。5-HT7偶联Gs蛋白，从而刺激AC酶，增加胞质cAMP。5-HT1A和5-HT1B也表达在血清素能神经元突触前末端作为自受体发挥作用，抑制血清素释放。

血清素能神经元是最早在中枢神经系统中发育的神经元之一。有趣的是，血清素不仅作为一种经典的神经递质，也可以作为神经营养因子发挥关键作用。在小鼠中的研究表明5-HT信号转导对于介导丘脑皮层轴突（TCA）通路的生长轨迹很重要。丘脑背侧（DT）神经元中5-HT信号的减少/增加时，TCA将不再沿着原本生长轨迹移动，这可能导致大脑功能的长期改变。检测小鼠胚胎发育过程中的5-HT浓度，发现胚胎前脑中5-HT的来源随时间变化，从早期的外源性（胎盘）来源到后来的内源性（DR血清素能神经元）来源。发育过程中的这种转换使胚胎大脑逐渐依赖于自身产生的5-HT。

成年果蝇大脑含有约90个血清素能神经元，每个半球根据胞体所在位置可以区分出11个神经元群，分别支配着不同脑区。5-羟色胺作用的结束取决于其在突触间隙通过血清素转运体（SERT）重新摄取回到突触前神经元。一旦进入细胞质，5-羟色胺可以通过VMAT转运回囊泡作为神经递质被重新利用，或者可以被单胺氧化酶（MAO）代谢。2011年的一篇研究论文显示果蝇中SERT和5-HT表达位置完全重合，表明所有的5-羟色胺能神经元都表达SERT，反之亦然。体内血清素的浓度变化与抑郁症的发病机制有关，SERT调节神经突触间隙中血清素浓度的作用使其成为抗抑郁药物的主要靶点之一。

在果蝇中血清素能系统与其他胺能系统的相互作用已被众多研究证明。5-羟色胺能和多巴胺能神经元的轴突投射在果蝇大脑磨菇体中具有竞争性相互作用，多巴胺的缺失促进了5-羟色胺的投射而多巴胺水平的上升发挥了相反的作用。此外，在昼夜节律调节中，5-HT系统与其他胺能系统也有强烈的合作性相互作用。

2、血清素对果蝇不同行为的调控

成年果蝇大脑的血清素能神经元在中枢神经系统内以空间多样化的簇模式分布，在多个部位同时起到作用，且在对果蝇的多种行为的调控中作为关键因子发挥影响力，如调节自发运动、睡眠、社交、突触形成以及长期记忆形成等。5-HT受体的不同亚型可能在调控同一行为时彼此联系又发挥着不同的作用。

5-羟色胺调控果蝇的基本状态。5-HT介导果蝇的行走，激活位于VNC的血清素能神经元会减慢行走速度，而抑制这些神经元则会增强行走速度。对于果蝇来说，不同的血清素受体在调节行为时可能起着不同的作用，如：在睡眠行为中，5-HT1a促进睡眠，其突变后果蝇的睡眠时间短且零碎，但昼夜节律正常；5-HT2b调控睡眠稳态，5HT2b基因的缺失会减少睡眠剥夺后的睡眠反弹；而5-HT7受体神经元参与调节睡眠结构而不影响睡眠总量，其激活导致睡眠碎片化。

人们通过针对5-HT受体亚型的药理学和遗传学方法证明了其在果蝇嗅觉学习和记忆中起到的关键作用。条件刺激（CS）和非条件刺激（US）之间的重合对于联想学习至关重要。李毓龙课题组就其同步时间窗口的机制展开研究，并发现果蝇嗅觉学习的同步时间窗受5-HT信号的双向调节，并影响蘑菇体中Kenyon细胞（KCs）的突触可塑性。KCs释放的乙酰胆碱激活了血清素能的DPM神经元，该神经元与KCs形成反馈抑制电路。人为地减少或增加DPM神经元释放的5-HT分别会缩短或延长同步窗口。

5-羟色胺在社交行为中也有着明确作用，5-HT对于生物的初次社交行为——与母亲的亲密性有着重要影响。饶毅课题组在小鼠、大鼠以及恒河猴身上都进行了幼崽亲母行为的测定，验证了此调节行为的物种间保守性。小鼠、大鼠或猴子中的Tph2基因被敲除导致亲母行为的显著丧失，母体气味激活了中缝核（RN）中的血清素能神经元和室旁核（PVN）中的催产素能神经元。抑制血清素能神经元后减少的母体偏好被催产素能神经元的激活所挽救，表明催产素在5-HT下游起作用，共同调节婴儿的亲母关系。

由于血清素能神经元的广泛分布以及不同亚型间的相互作用，目前关于其共同调节行为范式方面，人们还在从不同角度进行研究解读，相信随着时间的发展，会对血清素的复杂调节有着更加清晰的认知。

3、血清素与模式动物的疾病治疗

在人体中，5-HT受体一共有14种，分为G蛋白偶联受体和配体门控离子通道。不同的受体被激活后介导不同的通路，影响不同的生理过程。5-羟色胺转运体SERT定位于血清素能神经元的轴突末端，在每个循环中转移一个或多个分子。各种药物主要作用于5-HTR和SERT。

在线虫的神经毒性研究中，抗癌药顺铂诱导的秀丽隐杆线虫神经毒性不依赖于5-羟色胺的生物合成和再摄取，而可能涉及5-羟色胺受体亚型7。抗抑郁药度洛西汀可以预防导致的神经毒性，用于保护神经候选药物的临床前鉴定。在线虫的体脂研究中，章鱼胺能的ser6 GPCR诱导ADF神经元的5-HT表达，5-HT门控氯离子通道MOD-1通过核受体NHR-76传递线虫体腔神经元的长程内分泌信号来促进甘油三酯脂肪酶ATGL-1的功能。为长期观察到的5-羟色胺能和肾上腺素能联合减肥药物的有效作用提供了一个潜在的分子解释。

在斑马鱼自主心脏控制研究中，血清素在从胚胎发生到成年的心血管功能中起着调节作用，在心内膜细胞、心房中的胶质样细胞和心内神经元中存在5-HT，导致心率降低。最近有研究表明，为大脑提供新的神经元可以对抗阿尔茨海默病（AD）。淀粉样蛋白毒性诱导的白细胞介素-4（IL4）通过抑制色氨酸代谢和减少血清素的产生来促进神经干细胞（NSC）的增殖和神经发生。血清素通过下调对血清素有反应的脑室周围神经元中脑源性神经营养因子（BDNF）的表达来抑制NSC的增殖。表明斑马鱼中复杂的神经元-神经胶质相互作用调节AD患病后的再生神经发生。

在小鼠中，肠道5-HT的增加抑制了自噬，并导致结肠炎易感性的增强。在结肠炎期间，结肠中肠嗜铬细胞（EC）细胞分泌的黏膜5-HT增加，与肠上皮细胞（IEC）上的5-HT3、5-HT4和5-HT7受体结合，并抑制AMPK，抑制了自噬（Atg）蛋白的形成，从而导致IEC中自噬的损伤。这导致IEC减少了抗菌肽的产生，从而改变了正常肠道微生物群的组成，影响促炎细胞因子的分泌，导致炎症更加严重。5-HT是肠道炎症性疾病的一个先前未知的治疗靶点。

抑郁症是大脑化学物质异常的结果，特别是5-羟色胺。抑郁的血清素假说是指5-羟色胺能神经元的功能低下，它们的联系在20世纪60年代首次被提出。之后礼来公司的选择性5-羟色胺再摄取抑制剂（SSRI）抗抑郁药——氟西汀获得 FDA 批准，成为人类历史上第一款用于治疗抑郁症的血清素药物。但是后来的研究中发现在服用后几个小时，脑内血清素的浓度就能上升数倍，但患者的症状要在开始服用后数周才出现好转，一开始甚至可能会加重，说明抑郁症症状可能不只来源于低浓度血清素。还有一些患者服用氟西汀后体内的血清素浓度升高，病情却没有得到改善。有一些完全不作用于血清素的药物，也有抗抑郁的效果。血清素似乎的确与抑郁症有关，但绝不是抑郁症的全部病因。又或者，提升血清素浓度只是一个中间步骤。尽管有人提出质疑，但抑郁症的血清素理论仍然有影响力。

此外，有一些技术也被开发出来。例如Steven W. Flavell实验室在全脑尺度上解剖线虫血清素能系统的功能组织，使用神经元ID进行的全脑记录显示了与血清素相关的大脑动力学。李毓龙实验室成功开发出新型、高灵敏度、高特异性以及反应动力学速率可达亚秒级别的5-HT荧光探针（GRAB5-HT1.0），直接可视化5-HT的释放。

最普遍的与血清素有关的投入使用的药物应该是SSRI。它是近年来广泛使用的处方抗抑郁药物，通过抑制5-羟色胺重摄取进入突触前细胞而增加突触间隙5-羟色胺的水平。被誉为“抗抑郁药的五朵金花”的五种常用抗抑郁药：氟西汀（百优解）、帕罗西汀（赛乐特）、舍曲林（左洛复）、氟伏沙明（兰释）、西酞普兰（喜普妙），都属于SSRI。SSRI之间因分子结构、药物特征和药代动力学相异，导致每种SSRI的半衰期、临床活性、副作用和药物相互作用的不同，所以应根据需求用药。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2024-06-27 journal club PPT

by 姜思梅、张兆琨、李子奇

2024年06月27日，我们将进行2024年度第五次Journal club，组织者为姜思梅，参与者有张兆琨，李子奇。Journal club的总结及报告内容（slides）将在会后张贴出来。

报告主题：
Contribution of the serotonergic system in model animals

报告内容：
12:00-12:30  A brief introduction of the serotonergic system in Drosophila  ——姜思梅
12:30-13:00  The regulation of different behaviors by serotonin in Drosophila  ——张兆琨
13:00-13:30  Serotonin and disease treatment in animal models  ——李子奇
13:30-讨论

入侵性水果“杀手”斑翅果蝇

Drosophila suzukii Matsumura是一种双翅目果蝇科果蝇属的昆虫，因其雄性翅膀末端边缘在成蝇羽化后1-2d后会形成黑色的斑点（雌性没有），故名斑翅果蝇。与大多数喜好腐烂水果的果蝇物种不同，D. suzukii虽然以腐烂水果为食但却更偏好在成熟的水果中产卵。这是由于雌性斑翅果蝇进化出了延长的锯齿状产卵器，使它们可以刺破果皮较软的水果并在其内部产卵，幼虫则以水果为食。斑翅果蝇食性较广，可以危害如樱桃、蓝莓、草莓、树莓、葡萄和桃子等多种浆果和核果类水果，对水果作物的产量产生较大威胁。但需要明确的是，并不是所有的翅膀上带有斑点的果蝇都是D. suzukii，比如suzukii subgroup的另外两种果蝇D. subpulchrella和D. biarmipes翅膀上也都有黑色斑点。其中D. subpulchrella也具有锯齿状产卵器，而D.biarmipes并没有，它们在成熟和腐烂的水果上都可以产卵，并不像D. suzukii对成熟的水果有明显的产卵偏好。接下来我们将分三个部分详细介绍下这种较为特殊的水果害虫斑翅果蝇D. suzukii。

斑翅果蝇的概述

suzukii是1916年由Kanzawa在日本首次发现的。1931年，Matsumura对这种在樱桃上被发现的果蝇进行了详尽的描述。随后，斑翅果蝇在亚洲各国也逐渐被发现，我国在1937年对斑翅果蝇就已有报道。2008年，在欧洲和美国发现斑翅果蝇的踪迹后，斑翅果蝇作为一种入侵性物种因缺少天敌等原因在欧美水果种植区域迅速扩散，并向世界其他地区进一步蔓延，造成了巨大的经济损失。研究人员发现在野外夏季和冬季捕捉的斑翅果蝇的形态有明显差异，在模拟野外条件后培养出了夏季形态（体色浅，个体小）和冬季形态（体色深，个体大）的斑翅果蝇。进一步的研究发现，冬季形态的斑翅果蝇在更寒冷的条件下能存活更久，这是由于冬季形态的斑翅果蝇在代谢，生殖滞育以及神经内分泌等各个方面的调控使得它们在冬季的能量利用最大化。斑翅果蝇这种对环境的强适应性使得其成蝇能够成功越冬并向较冷的区域扩散。

作为一个拥有特化产卵器的果蝇物种，它本身就是作为研究形态进化的重要模型。研究人员通过对其发育过程的研究发现，它之所以拥有长的产卵器是因为较其他果蝇产卵器的细胞更大，而且在长轴上的细胞相对更多而导致的。延长的产卵器还造成了雄性相应的协同进化，使得斑翅果蝇雄性生殖器的paremere丧失了钩状结构并因此获得了与亲缘关系较近物种的物理性生殖隔离。

关于斑翅果蝇行为的研究大都刚刚起步，主要还是关于行为表型的描述。斑翅的求偶行为与黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）的类似，但又拥有一些物种特异的wing scissoring和wing spreading的这些双翅的求偶动作。斑翅雄蝇虽然也有单侧翅膀伸展的动作但是却不产生我们熟知求偶歌sing song和pulse song，其双翅伸展时却可以产生toot。另外，与黑腹果蝇不同的是，斑翅果蝇不产生信息素cVA。虽然斑翅果蝇感受cVA的能力没变，但促进黑腹果蝇交配的信息素cVA在斑翅果蝇的交配中却产生了抑制作用，cVA也因此成为斑翅果蝇识别其他物种的信息素。与黑腹果蝇的打斗类似，单养条件下的4d左右的斑翅雄性果蝇打斗强度更高。它具有物种特异性的攻击动作fly attack，但是没有黑腹果蝇的tussling以及boxing这种高强度的打斗。斑翅果蝇在冬季以及夏季的条件下的运动节律也不同，夏季能够表现出与黑腹果蝇类似的晨昏运动升高的表型，但冬季则只在正午活动增加。尽管斑翅果蝇行为方面已有些研究，但其相应的神经机制都还有待进一步揭示。

斑翅果蝇的化学生态

由于斑翅果蝇的锯齿状产卵器这一器官形态上的进化以及随之而产生的更偏好在成熟水果上产卵的这一行为上的进化，使得斑翅果蝇与其他果蝇物种产生了生态位的差异。

生态位是不同种群在生态系统中所处的地位和角色，生态位的改变通常是进化过程中重要的驱动因素，导致生态特化或物种形成。黑腹果蝇和斑翅果蝇的生态位具有显著差异，黑腹果蝇偏好果实发酵的气味，在植物下方有腐烂果实掉落的地方活动；斑翅果蝇偏好成熟果实和叶子的气味，在植物上方活动。果实在成熟的过程中产生大量的二氧化碳，而过熟或腐烂的果实中二氧化碳的含量显著降低，如此看来黑腹果蝇排斥二氧化碳，斑翅果蝇不排斥二氧化碳的特征正好与二者的生态位一致。

斑翅果蝇的产卵偏好从发酵果实转移到成熟的非发酵果实，这种生态位的改变与其外周神经系统中嗅觉、味觉和机械感知等的遗传变化都密切相关。相较于黑腹果蝇对乙酸（醋酸）的偏好，斑翅果蝇对糖的偏好在其产卵地选择中发挥着重要作用。斑翅果蝇的味觉感受器分布在唇瓣和前腿上，总体数量比黑腹果蝇少，其中一些味觉感受器对糖刺激的电生理反应比黑腹果蝇弱，同时一些糖受体基因的表达水平比黑腹果蝇低，然而斑翅果蝇反而对低浓度的糖有更强的行为响应。这一看似矛盾的结果目前还无法解释，推测斑翅果蝇的糖感知极有可能在中枢神经系统中发生了进化转变。对于产卵偏好变化以及上文提到的各种行为相应神经机制的研究也有赖于斑翅果蝇更多遗传操作工具的出现，目前斑翅果蝇的基因组已经完成以染色体为单位的测序，随机或定点插入以及基于CRISPR/Cas9的各种基因操作也正在逐渐发展。相信在不远的将来关于产卵行为进化的机制会有更多不同的答案。

斑翅果蝇的防控策略

历史上，DDT作为一种农药，在20世纪上半叶对抗农业害虫和疾病传播昆虫中起到了重要作用。尽管它的使用拯救了数百万人的生命，但长期来看，它在环境中的积累对生态系统造成了严重影响，特别是对水生生物和鸟类的毒性。这些影响催生了害虫综合管理（Integrated Pest Management, IPM）的概念，这种方法结合化学和非化学措施，旨在在不超过经济损害水平的前提下控制害虫，同时最大限度减少对人类健康和环境的影响。

在斑翅果蝇的具体防治中，生物控制方法显示出潜力，特别是寄生蜂的使用。例如，毛锤角细蜂（Trichopria drosophilae）作为一种重要的生物控制因子，对斑翅果蝇具有有效的寄生能力，提供了一种减少化学农药使用的可行方案。

微生物防治也是控制斑翅果蝇的一个重要方向。特别是内共生菌Wolbachia通过诱导胞质不亲和性（Cytoplasmic Incompatibility, CI）来干扰害虫的繁殖，虽然斑翅果蝇不普遍感染Wolbachia，但通过转染其他菌株的Wolbachia如wHa，可诱导斑翅果蝇中的强烈CI，这为生物控制提供了新的思路。此外，其他病原菌如Alcaligenes faecalis和Serratia marcescens因其对斑翅果蝇的致命效果而被考虑为生物控制的候选，而短乳杆菌对斑翅果蝇则有一定的驱避作用。

最后，基因驱动技术提供了一种从基因层面控制斑翅果蝇的方法。通过CRISPR/Cas9技术靶向如doublesex这样调控果蝇生殖的关键基因进行基因编辑，通过homing gene drive可以在斑翅果蝇中引入不育特性，显著减少其种群个体数量，为斑翅果蝇的长远管理提供了一种创新且潜在的有效策略。这些内容展示了从传统农药到现代生物技术在斑翅果蝇管控中的演变，反映了害虫控制策略向更环保、更具持续性的方向发展的趋势。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2024-05-30 Journal club PPT

by 纪小小 彭琼琳 梁子健

2024年05月30日，我们将进行2024年度第四次Journal club，组织者为纪小小，参与者有彭琼琳，梁子健。Journal club的总结及报告内容（slides）将在会后张贴出来。

报告主题：The invasive crop pest Drosophila suzukii

报告内容：

12:00-12:30  Overview of Drosophila suzukii —— 纪小小

12:30-13:00  Chemical ecology of Drosophila suzukii —— 彭琼琳

13:00-13:30  Strategies to control Drosophila suzukii —— 梁子健

13:30-讨论

动物的疼痛感知及其潜在的调节机制

疼痛是人类在进化过程中逐渐形成的一种自我防卫机制，是人类最基本、最重要的感觉功能之一。发生在创伤手术打针时的即刻疼痛和慢性的腰腿疼痛会不定时折磨着我们，那么了解疼痛及其潜在机制，有利于及时治疗及护理，也为健康中国添砖加瓦。

1. 模式动物中疼痛感知相关行为的研究方法

疼痛是与实际或潜在组织损伤相关的、不愉快的感觉和情感体验，损伤是疼痛的前提。在主要的动物模型果蝇，斑马鱼，小鼠中，均有完善的疼痛行为学研究方法。在动物模型中引发疼痛的办法分为诱发疼痛与自发疼痛。诱发疼痛引发的痛觉相对较短，其中包括电刺激，温度刺激，机械刺激，化学刺激。自发疼痛，例如创建小鼠骨癌模型，炎症模型，会引起长时间的持续疼痛。

模式动物果蝇的热板逃避范式可用于探究伤害性阈值，能够观察到在周围神经损伤后表现出异常性疼痛并增强逃避的反应；熊蜂在高质量喂食器(加热至有毒热量)和替代喂食器之间会进行智慧选择，能够在避免有毒热量与对高浓度蔗糖的偏好之间进行权衡；用脂多糖的细菌分子注射到老鼠的脊柱中会引起神经系统中常驻免疫细胞小胶质细胞应答，诱发慢性疼痛模型，而外周神经——连接大脑和脊髓与身体其他部分的神经——的损伤会导致对疼痛的敏感性增加，致使雄鼠即使被软毛轻触也会缩回爪子,这是由慢性疼痛表现出的对其他非疼痛刺激的超敏反应。

2. 疼痛机制的研究

疼痛通路可以分为外周系统、脊髓系统，脊髓上升系统以及大脑，其中后三者对应的就是初级神经元，二级神经元以及三级神经元，而外周系统对应的就是皮肤或内脏中的感受器。感受器分为有髓鞘或无髓鞘的两类，对应为 C 纤维和 A-delta 纤维。疼痛在大脑中的传递是很复杂的一个通路，疼痛感受器通过初级传入神经元将信息传递到脊髓背角(DH)或三叉神经尾核(SpVC)中的二级神经元上，这些神经元又将信息传递到外侧臂旁核(lPB)和导水管周围灰质(PAG)，内侧 PFC (mPFC)和岛叶皮层(IC)前扣带皮层(ACC)腹侧被盖区(VTA)内侧前额皮质(mPFC）。

科学家王凡的实验室主要研究揭示感觉感知，疼痛以及行为背后的神经环路，在研究身体和面部疼痛哪个更疼的实验中，将 4% 福尔马林单侧注射到胡须垫或一只后爪中，免疫染色以检测早期基因 Fos 的表达，作为 PB L 中激活神经元的标记，结果显示面部的刺激是更疼的；他们利用CANE技术，捕获PB神经元PB L 伤害性神经元的轴突投射；他们还揭示了饥饿和疼痛之间关系，饥饿的小鼠在响应炎症疼痛时，没那么敏感，而这种效应对于急性疼痛没有作用，这种效应受到饥饿敏感刺激相关蛋白(AgRP) → 臂旁核(PBN) 神经元的活动的调控。

冷、热、机械刺激与化学刺激都可以激活痛觉感受器。辣味被认为是一种热觉甚至痛觉（很辣）。2021年诺贝尔生理学或医学奖得主David Julius 发现辣椒素受体，后来被命名为 TRPV1 。TRPV1在转导辣椒素的伤害性、炎症和高热效应方面的重要作用，同时TRPV1也与微生物相互作用，促进肠道微环境。

3. 疼痛与情绪的关系

疼痛会对情绪和认知功能产生负面影响。反而言之，消极的情绪状态会导致疼痛增加，而积极的状态可以减轻疼痛。对成对测试的小鼠进行相同的有害刺激后，它们表现出更多的疼痛行为（BW），并且这种疼痛增加的结果受到两只小鼠放在同一笼子的时间，两只小鼠相处的时间越久，则越痛；在人类中也存在相类似结果，当一个人观察到自己所爱的人受伤，他也会激活一些疼痛相关的神经元（PAG,ACC,SMA）。

已有研究表明，外侧丘脑或感觉皮层损伤患者丧失对伤害性刺激的感觉辨别，而内侧丘脑损伤患者丧失情感性体验。杏仁核是边缘系统的一部分，是产生情绪，识别情绪和调节情绪，控制学习和记忆的脑部组织。研究者注射氯氮平-N-氧化物 （CNO） 后用 hM4Di 抑制伤害性杏仁核基底外侧核（BLA）神经元发现小鼠面对疼痛反射行为保留，情感诱导的反应显著减少；小鼠中从岛叶皮层到基底杏仁核的慢性疼痛移情还揭示了疼痛的重要性。

4. 有关疼痛治疗的启示

马秋富教授在2021年发表的一篇Perspective中提出将伤害性躯体感觉系统的功能细分为两个分支。外部感受分支检测外部威胁，并驱动反射性防御反应，以躲避或减少伤害。内感受性分支感知到身体完整性的破坏，产生具有强烈厌恶情绪成分的紧张性疼痛，并驱动对受伤区域的自我照顾反应，以减少痛苦。在疼痛治疗中，阿片药物危机催生了非成瘾性疼痛治疗需求，David Bennett团队研究评估了直接抑制感觉神经元中与疼痛相关的过度活跃是否可能是种有针对性的疼痛治疗策略，结果显示，PSAM4-GlyR激活抑制感觉神经元，改善小鼠严重疼痛、炎症和神经性疼痛行为，暗示了PSAM4-GlyR在基因治疗疼痛中的潜力。有关慢性疼痛，Apkarian认为：慢性疼痛是疼痛记忆的持续，或最初损伤刺激引起的疼痛记忆无法消除。近些年已有研究证实慢性疼痛会诱导海马体神经发生、神经可塑性和髓鞘重塑减少，这被认为会导致学习记忆能力下降。将慢性疼痛视作疼痛记忆的持续或消退失败，则在未来可尝试使用相应的疗法解决。在急性期，预防可以导致慢性疼痛的记忆形成将是有益的；而在慢性疼痛已经形成的情况下，重点应转移到如何建立新的无痛记忆以消除慢性疼痛记忆。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2024-04-30 Journal club PPT

by 涂雯、李小龙、李畅

2024年04月30日，我们将进行2024年度第三次Journal club，组织者为涂雯，参与者有李小龙，李畅。Journal club的总结及报告内容（slides）将在会后张贴出来。

报告主题：

Pain perception in animals and the underlying regulatory mechanism

报告内容：

12:00-12:30  Overview of pain perception in animals  ——涂  雯

12:30-13:00  Neuronal mechanisms of pain perception in animals  ——李小龙

13:00-13:30  Impact of pain perception on animal behavior  ——李  畅

13:30-讨论

How Early Experience Can Induce Disorders: An Example of Visual Cortex Dysfunction

随着生活节奏的加快和社会竞争的激烈，精神健康问题已悄然成为全球面临的一大公共卫生挑战。从抑郁症和焦虑障碍到自闭症和多动症，神经精神类疾病的范围广泛，然而致病机理并没有研究的很清晰，目前认为基因，神经发育，早期经历，环境刺激等均可对此类疾病的产生有影响。本次Journal我们将从初级视皮层的发育障碍为切入点，探究从早期经历对神经精神类疾病的影响。我们从视觉系统的结构功能，早期经历对视皮层发育和功能影响，与视皮层发育障碍相关的神经精神类疾病概述这三个方面进行汇报。

1.比较果蝇和哺乳动物视觉系统的结构和功能

果蝇的视觉系统主要包括：视网膜、视叶（包活lamina，medulla，lobula 和lobula plate）、视球复合体等。果蝇是复眼结构，每个复眼大约由750-800个重复排列的呈六边形的小眼组成，每个小眼由20个细胞构成，其中R1-R8细胞是感光细胞(R细胞)，其中R1-R6在功能上相当于脊椎动物的视杆细胞，可介导运功感知;那么R7和R8则相当于视锥细胞，介导色觉识别。

哺乳动物位于眼球最内层（相对于球心）的视网膜，可以接受外界的光信号投射。视网膜上的光感受器细胞，将光信号转换为电信号（光电转换），传递给视网膜的其他细胞，进行初步的信息整合加工。从结构上来说，视网膜包括三层神经元胞体层（神经节细胞层，内核层，外核层）和两层神经元突触连接层（内网状层，外网状层）。其中外核层包含两种光感受器（视锥细胞和视杆细胞）的胞体。内核层包含双极细胞、水平细胞和无长突细胞的胞体，神经节细胞层包含视网膜神经节细胞的胞体。

视觉视网膜神经节细胞（RGC）将视觉信息通过视神经，传递给大脑。视觉信息进入大脑后，先进入位于丘脑的一个小小的核团——外侧膝状体。在那里，视觉信息被进一步整合加工，关键的视觉信息被提取出来，无用的信息被舍弃或扣留在低级脑区。经过加工后的关键视觉信息，通过名为“视放射”的神经纤维束，传递到初级视觉皮层。

外侧膝状体是分层的结构，每一层的细胞都有不同的作用。人的外侧膝状体分为六层，从下到上分别命名为第1、2、3、4、5、6层。其中由2、3、5层细胞接收同侧眼睛发来的信号，由1、4、6层细胞接收对侧眼睛发来的信号。

外侧膝状体会通过名为“视放射”的神经纤维束，传递到初级视觉皮层。初级视觉皮层也被称为纹状皮层或者V1,一共分为6层，从浅到深依次编号为第1、2、3、4、5、6层。每一层的功能都有所区别。通常来讲，第1层主要是神经纤维网，细胞密度比较低，主要接收其他皮层区域自上而下的“反馈”连接。第2、3层细胞密度比较高，主要参与向大脑皮层各区域的、由低向高的“前馈”连接。第4层主要接收大脑其他区域（除了皮层，也包括皮层下区域，如丘脑、下丘脑、中脑、基底神经节等）投射上来的信号。第5层除了参与皮层各区域之间的远程连接以外，也向皮层下区域投射信号。第6层既可以接收其他皮层区域的“反馈”，也可以向丘脑发送“反馈”信号。

初级视觉皮层的功能主要包活以下几个方面：方向选择性、轮廓整合、立体视觉和双眼视差、运动方向选择性等方面。

果蝇的视觉神经回路与哺乳动物具有一定的相似性：在光信号转导上，果蝇与哺乳动物相比虽略有不同但其基本路径也近乎保守，如光感受器的结构和作用模式等。不管是在结构上还是功能上，甚至是在调控视觉发育的分子机制上果蝇和哺乳动物共有的这些特点，将加深我们对物种进化方向的理解。

2.早期经历对视皮层发育和功能影响

小鼠的视觉皮层发育分为几个阶段，第一阶段：精确拓扑结构的形成。在睁眼前和视网膜神经节细胞受视锥细胞和视杆细胞驱动之前，来自dLGN的轴突投射会与V1的第4层建立一对一的高分辨率的连接。第二阶段：朝向选择性。神经元对特定方向的视觉刺激有更高的水平活动，能更高效编码和传递，更有效传递特定方向的信息。第三阶段：神经元的方向选择性特征进一步被优化，使其通过两眼变得相似。这个阶段被称为“关键期”，视觉剥夺会导致两眼对皮层细胞输入在强度和组织上快速且显著地改变。在关键期结束后，V1的环路连接和响应似乎已经成熟，并且通常在整个生命周期中保持稳定。

初级视觉皮层中双眼神经元 (binocular neuron) 形成的环路是立体视觉的环路基础。而双眼神经元的特定感受野性质 (receptive field properties) 的成熟需要关键期的正常视觉经历。来自UCLA Joshua Trachtenberg lab的谭力铭博士等人利用双光子钙成像在关键期追踪了上千个初级视皮层2/3层和4层椎体神经元的感受野性质的变化后发现，初级视皮层2/3层的双眼神经元在关键期内的功能成熟是由单眼和双眼神经元依照感受野性质相互替换完成的。感受野性质好的单眼神经元在关键期内得到另一侧视觉的配对输入最终成为双眼神经元，这一过程依赖于视觉经验；而性质差的双眼神经元最终会失去弱侧视觉响应成为单眼神经元。正常的视觉经历通过促进2/3层的同侧眼视觉通路的发育驱动这一过程。在初级视皮层2/3层，对侧眼环路的发育是先天因素决定的，只有同侧眼环路的发育依赖于视觉经历。正常的视觉经历促进同侧眼环路的功能成熟，并将其逐渐与对侧眼环路进行整合。这个依赖于视觉经历的整合过程使双眼视觉的功能发育成熟。

此外除了视觉剥夺，正常的多感觉整合和视觉运动体验也会影响视觉皮层的发育和功能。当在关键期内给小鼠一侧眼睛配戴折光棱镜后，不仅会出现视觉刺激在棱镜侧眼睛引起的初级视皮层单眼区和双眼区的响应相对于naïve侧显著降低，且导致视网膜拓扑结构出现一定角度的偏移，而修剪掉配戴折光棱镜侧的胡须可以解除初级视觉皮层对视觉刺激响应的抑制，提示了这种抑制并非仅由不正常的视觉输入引起的，更可能是胡须感应的触觉信息与视觉信息不配对导致的。通过人为的限制视觉运动耦合，影响了运动中的视觉信息处理，取消对视觉运动不耦合的学习后，可以恢复正常的视觉运动整合

3.与视皮层发育障碍相关的神经精神类疾病概述

在很多脑疾病中都检测到不同程度的视觉功能异常，比如神经发育类疾病如自闭症,多动症；精神障碍类疾病如抑郁症等。

自闭症（ASD, Autism Spectrum Disorder）是一类严重的发育障碍性疾病，与大脑发育异常有关。致病原因并不明确。对自闭症病人脑皮层不同功能性区域进行了转录组以及功能连接分析，发现与对照组相比：自闭症患者大脑皮层的转录组发生了广泛变化，每个区域的转录组都存在异常，其中初级视觉皮层的差异最大，其中约60%的差异与全皮层基因转录差异重叠。在正常的大脑中，大脑皮层的不同区域可根据基因表达的差异加以区分，这主要反映了每个区域在细胞结构、连接性和功能方面的差异；然而这个工作通过对皮层不同区域的转录组差异进行分析后发现，在ASD 患者中，区分皮质区域的基因表达差异显著减少，从而使这些皮质区域在转录组层面上趋于同质化。这其中同质化最严重的是初级视觉皮层。这些在初级视觉皮层观察到的实质性变化可能与 ASD 中存在的视觉功能异常有关。并且，这种差异很大可能是源于视觉皮层的的发育异常，针对视觉皮层发育调控的研究，将有可能为治疗或缓解自闭症患者视觉功能提供潜在靶点。

另外一个广泛研究的与视皮层功能异常相关的疾病是抑郁症：两者相关联研究多以动物模型和临床的研究为主。越来越多的研究表明，视觉皮层的结构和功能异常可能与抑郁症的发病机制有关。并且，动物模型和临床的研究都验证了视觉皮层作为治疗或缓解抑郁症状的目标脑区的可能性。

近年来，以小鼠为模型，探究刺激视觉皮层改善抑郁症状的分子与环路机制方面也取得很多重要进展。2022年，一项针对电磁疗法改善抑郁症分子机制的研究发现，电磁刺激视觉皮层可以通过改善视皮层神经元的突触可塑性来缓解抑郁样行为的产生，这个过程是依赖于载脂蛋白ApoA1和胆固醇转运体ABCA1两个蛋白的活性的 （Lu et al., iScience. 2022）。此外，研究提示光疗可缓解多种类型抑郁患者的临床症状，但目前光疗抗抑郁作用产生的神经机制还不明确。2019年，Huang等研究发现光疗可以通过激活一条从视网膜至外侧缰核（LHb）的跨双突触光信息传导通路，从而实现对抗抑郁症的疗效 （Huang et al., Neuron. 2019）。虽然这项研究没有评估视觉皮层在光疗抗抑郁效果中的作用，但视觉皮层作为接收和处理视觉信息的最重要的大脑皮层，其作用值得进一步研究。2022年，一项研究发现从内嗅皮层到V2视皮层的环路, 可以双向调节小鼠的抑郁样行为：激活该环路可迅速缓解小鼠抑郁类行为；抑制其活性可以诱发抑郁类行为的发生（Lu and Guo, Molecular Psychiatry 2022）。

刺激视觉皮层改善抑郁症状在临床上也有相关研究。2008 年，美国食品和药物管理局批准使用重复经颅磁刺激 (rTMS) 治疗成人耐药性抑郁症,磁电疗法通过调节其他各种脑区的结构和功能突触可塑性来实现抗抑郁疗效。目前临床上经颅磁刺激以前额叶皮层为目标脑区,治疗周期在4-10周，还常常伴有不良症状，如头痛，耳鸣，皮肤发红等等。而2021年的一篇文章发现以视觉皮层作为经颅刺激的目标脑区可以达到在5天之内显著改善抑郁症状的疗效，此外这这种治疗策略的副作用更小（Zhang et al., Science China. 2021）。相信在不远的将来，视觉皮层可以作为一个更有效的治疗抑郁症的目标脑区。

综合而言，本次Journal我们对视觉系统，尤其是初级视皮层的发育，结构功能等发面进行了介绍，概述了早期环境对视觉皮层发育和功能的影响，以及视觉皮层发育障碍与神经精神类疾病的关系及其作为目标脑区在疾病治疗中的潜能。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2024-03-28 Journal club PPT

by 陈洁 关文月 葛瑶

2024年03月28日，我们将进行2024年度第二次Journal club，组织者为陈洁，参与者有关文月，葛瑶。Journal club的总结及报告内容（slides）将在会后张贴出来。

报告主题：

How Early Experience Can Induce Disorders: An Example of Visual Cortex Dysfunction

报告内容：

12:00-12:30  A Comparison of the Structure and Function of Visual Systems in Fruit Flies and Mice ——陈  洁

12:30-13:00  Early Experiences Affect the Development and Function of the Visual Cortex   ——葛  瑶

13:00-13:30  Disorders Associated with Visual Cortex Dysfunction ——关文月

13:30-讨论

行为序列的调控机制

1.引言

进入新石器时代后，人类学会了驯化动物。从此以后动物与人类的生活紧密联系到了一起，就连古埃及的壁画上也出现了各式各样的动物造型。在17世纪以后，人们写出了许多记录动物行为的著作，“动物行为“一词也是在那时首次提出的。随着遗传学和分子生物学等学科的发展，现在已经可以在实验室用更规范的手段记录研究动物行为了。研究动物行为不仅可以为动物提供更好的福利，了解物种进化的规律，还可以帮助我们了解大脑的高级功能。

2.行为的研究层次

行为的研究有多种层次。从大到小可分为：行为状态、行为谱、行为、动作、姿态。

• 行为状态是在某个条件下，动物更容易表现出某些行为而较少表现出另一些行为。如在饥饿状态下，动物更容易表现出觅食、捕猎、进食等行为。
• 行为谱是在某个行为状态下，动物表现出行为频率/时间的记录表，通常以行为热图的形式展现。
• 行为包括我们通常提到的诸如睡眠、打斗、求偶等。
• 动作是动物行为的重要组成部分，如在果蝇求偶中，果蝇表现出定向、追踪、伸展单侧翅膀、触碰雌性、舔舐、尝试交配、交配等动作，这些动作共同组成了完整的求偶行为。
• 姿态是动物在某一时刻或某个瞬间，其身体肌肉的排布，可以理解为对动物进行拍照，每张照片就是一个姿态。

此前我们都是集中关注于前三个方面，而较少关注后三个方面。而一个行为能否精确的实现与动物的动作以及姿态是分不开的。上到复杂的逃生行为、捕猎行为，下到简单的行走行为，都需要动作按照特定的规律和顺序进行输出。如果动作的顺序出错，轻则影响本次行为的完成，重则影响动物的生存繁衍。因此，探讨行为的动作序列如何维持是很有必要的。

3.捕杀型捕猎的序列维持机制

捕杀型捕猎行为是动物为了生存，攻击其他动物个体的行为。一般认为捕猎行为包括发现目标、追逐、攻击和进食几个动作，根据捕猎是否成功，追逐和攻击阶段还可能多次反复发生。在小鼠中，外侧下丘脑（LH）、中央未定带（ZI）、中央杏仁核（CeA）与捕猎行为有关，且他们通过中脑导水管周围灰质（PAG）参与捕猎行为的调节。但从前的研究并未阐明捕猎行为的动作顺序是如何维持的。浙江大学李浩洪课题组与上海科技大学沈伟组首次发现了捕猎行为序列调控机制。捕猎行为的发生期间，LPAG脑区的神经元会发生顺序激活以维持正常的行为序列，其中GABA能神经元较早激活，参与追踪和攻击阶段，谷氨酸能神经元较晚激活，参与攻击阶段。而进入进食阶段后LPAG脑区大部分失活，提示后续的进食行为可能是其他脑区调控的。此外他们还发现上游的传入信息（LH、ZI、CeA）在捕猎行为期间调节追逐和攻击过程。在另一篇研究也提出了上游感觉信息的传入可能是捕猎行为序列维持的关键。Herwig实验室在斑马鱼中进行研究发现视觉信息的存在对于表现出正常的捕猎行为是必要的，且斑马鱼只要有单眼视觉就可以表现出捕猎行为，但双眼视觉可能参与捕猎的正确序列维持。因此捕猎行为的序列准确输出，不仅需要特定神经元的顺序激活，还需要输入信息实时调整行为的精度。

4.片段化摄食行为的产生机制

摄食行为是个体为了获得维持生存和从事各种活动的能量而进行的活动，是关乎生存的头等大事。物种在亿万年的进化过程中，自然选择逐渐塑造出精妙的摄食行为策略，并将其固化到了大脑的神经网络之中。进食相关行为的持续紊乱会导致饮食失调，如导致肥胖的神经性贪食症、导致营养不良的神经性厌食症、异食癖、反刍症等。目前这些疾病缺乏有效的治疗方法，这表明需要更深入地了解进食过程中的动机和行为变化及其背后的神经机制。在中枢神经系统中，许多神经元群体和回路控制食欲。目前已经阐明，三个主要的神经回路强烈地影响食欲，分别是促进寻找食物的ARC^AGRP神经元、促进进食行为的LH神经元以及抑制进食行为的PBN^CGRP神经元。但进食行为是一个复杂的过程，2021年有研究指出进食行为并不是简单的从饥饿开始吃到饱为止，而是分成多个进食回合。每个回合中包括进食的准备阶段、进食阶段、终止阶段等，随着进食回合的推进，进食量逐渐减少，从而逐步提升进食终止的概率，促使进食行为终止。2023年，王立平组揭示了这种进食行为片段化发生的机制。他们发现当小鼠走向食物时，存在某些神经元的顺序活动：在环境探索过程中，ARC^AgRP神经元被激活，LH^GABA神经元几乎没有反应，DR^GABA神经元被抑制；当小鼠开始走向并接触食物时，ARC^AgRP神经元被抑制，LH^GABA神经元被激活，DR^GABA神经元在小鼠几乎接触食物时被延迟激活；当行走或不靠近食物时，三种神经元回到最起始的状态，开始新一轮循环。这种片段化进食的方式一方面保证了进食效率，另一方面使动物保持对环境的警觉。

5.不同行为间的有序转换机制——计划与执行

不同的行为间是否会存在顺序输出呢？许多动物包括人类在执行行为前都会对行动进行规划。早在1991年，就有人对猴子进行训练以研究计划与执行的转换机制。近几年，由于遗传学技术的发展，小鼠逐渐成为这种行为转换的主要研究对象，同时发现了ALM脑区与Th脑区组成正反馈环路参与行为计划阶段。那么这种从计划行为到行为输出是如何转换的呢？2022年Karel Svoboda组发现在施加行为发起信号后，PPN/MRN神经元会诱导ALM神经元发生模式转换，使ALM下游的Med神经元兴奋从而引起动作的产生。这种计划到执行的转换障碍与帕金森等运动障碍疾病相关，因此选择性的激活PPN神经元可以促进ALM神经元的模式转换，目前已用于运动障碍疾病的治疗。

以上是本次Journal Club的总结，希望对大家有所帮助。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2024-01-25 Journal club PPT

by 马铭泽

2024年01月25日，我们将进行2024年度第一次Journal Club，组织者为马铭泽，参与者有姜思梅、陈东亮。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：Three Complex Neural Mechanisms of Sequence Behaviors in Mice

报告内容：
12:00-12:30 The temporally specific hunting behavior sequence —— 马铭泽
12:30-13:00 Fragmentation of feeding behavior caused by environment and motivation —— 姜思梅
13:00-13:30 The transition mechanism between planning and execution —— 陈东亮
13:30-讨论

口服RNA干扰技术在农业害虫防治中的应用

害虫是满足全球粮食需求的重要制约因素也是传播各类疾病的媒介。由于虫害的直接或间接影响，所有农作物的潜在产量都受到重大影响。直接损害包括植物组织或器官的污垢、变形或坏死以及植物病原体的传播，而间接损害包括产量的损失和作物生产总成本的增加。

在没有控制措施的情况下，主要作物害虫造成的估计年总产量损失约占18%。害虫如棉铃虫、褐飞虱、蓟马的生态和生理特征，包括坚韧的外骨骼、小体型、飞行能力、高繁殖潜力和在不断变化的环境中的适应性使得其具有极强的危害性，大多数农业害虫都属于鳞翅目。

目前，采用不同的策略，如文化、机械、生物、化学和转基因方法，以有效控制害虫。其中，文化、机械和生物措施是传统方法，自古以来就被农民所遵循。然而，它们通常行动缓慢，需要熟练的人员，并且在给定时间只能应用于一小块区域。化学方法涉及使用有毒物质，这些物质通过抑制酶活性来干扰一个或多个重要途径。化学方法虽然更快、更有效但每年通过使用化学杀虫剂，在作物保护方面需要投入大量资金，且它们在环境中的持久性会导致环境和健康相关问题。与上述传统的害虫防治方法相比，转基因方法具有许多优势。它们在对抗害虫方面更具特异性，并在转基因植物中持续大量产生杀虫化合物。因此，就提高作物产量而言，转基因作物的苏云金芽孢杆菌Bt毒素能够控制害虫数量减少农作物损失并大大减少了化学杀虫剂的使用。 然而，害虫对杀虫毒素的抗性快速进化。

理想的害虫防治策略应该是经济、环保和农民友好的。它的作用应该是具体的，并且应该在不影响非目标生物的情况下针对大量害虫。该技术应该有另一种方法，以防害虫产生抗药性。为了实现理想的害虫防治方法，迫切需要探索其他可能的方法来赋予广谱抗虫性。 正常情况下，蛋白的产生过程是从DNA到RNA，再到蛋白质。RNA干扰是由双链RNA诱发，经过体内一系列作用，引起与之匹配的mRNA降解或表达受到抑制，使得蛋白表达受阻从而降低靶基因表达的一种生物学现象。2001~2002年连续两年被《Science》杂志评为年度十大科学进展，并在2002年排榜第一。该技术被认为是农业绿色防控中最具有应用潜力的生物技术之一。早在1990年，就已经有科学家在植物中发现基因沉默的现象。那时，这个研究小组原本是想得到颜色更深、更鲜艳的矮牵牛花。于是，他们就把一种叫「查尔酮合成酶」的基因，转进矮牵牛花当中。查尔酮合成酶是一种在矮牵牛花中控制积累色素的蛋白，通常可以使花表现为粉色或者紫色。然而让他们没想到的是，他们不但没得到颜色更深的矮牵牛，反而出现的竟是白色或者白紫色的。面对植物学领域出现的一系列不可思议的基因沉默实验结果，华盛顿卡内基研究所胚胎学部39岁的安德鲁·菲尔，马萨诸塞大学癌症中心38岁的克雷格·梅洛决定研究基因的表达究竟是如何被控制的。1998年2月19日，两位遗传学家和同事在英国《自然》杂志上发表了一篇题为《双链RNA在秀丽隐杆线虫中有力而独特的遗传干扰作用》的论文。2006年两人被共同授予诺贝尔生理学及医学奖。

诱发RNAi的分子可分为siRNA、miRNA和piRNA。双链RNA被一种名为Dicer的蛋白质识别并与之结合在一起，Dicer将双链RNA切割成碎片般的小片段。之后，小片段与另一种名为RISC的蛋白质结合在一起，RISC会去除双链RNA小片段中的一个链，只留下单链RNA与自己在一起。结果，这种RISC复合体像侦探一样探测mRNA分子，一旦mRNA与自己的RNA片段所携带信息匹配，RISC复合体就将它与自己结合起来，把它切割片断并导致mRNA 降解，通过这种干扰与害虫生长发育相关基因的转录和翻译过程，使害虫关键基因发生沉默，阻止蛋白质的合成，导致害虫的环境适应能力降低或者死亡，最终达到控制害虫的目的。

常见的RNAi技术在农业中的应用主要分为三类：寄主诱导的基因沉默（host-induced gene silencing，HIGS）、病毒诱导的基因沉默（virus-induced gene silencing，VIGS）和外源dsRNA诱导的基因沉默(Exogenous dsRNA-induced gene silencing，EdIGS)。HIGS通过转基因作物来表达针对害虫或病原物的dsRNA。VIGS通过携带特定基因片段的重组病毒侵染宿主的过程来生产sdsRNA。EdIGS更类似于传统农药的施用方法，通过非转基因手段，直接向环境中喷施或注射外源dsRNA，通过害虫取食或病原体侵染的过程而起作用。通过使用有效的递送方法可以实现成功的RNAi反应。迄今为止，在不同生物体中已有的dsRNA递送方法包括直接摄入，幼虫浸泡（最有可能通过摄入发生），纳米颗粒介导的壳聚糖或其他纳米颗粒摄取，以及细菌和酵母等微生物表达的载体系统。然而，该技术在广泛应用之前需要解决高效微生物dsRNA生产系统选择的问题。例如微生物介导的dsRNA表达系统的应用常见的含有大肠杆菌dsRNA表达系统、酿酒酵母dsRNA表达系统、昆虫共生细菌dsRNA表达系统。

深究RNA干扰技术的机制，实为RNA干扰过程中，将双链RNA构建到质粒中，然后转染进细胞，或者直接使用含有双链RNA的溶液喷涂植物，让害虫吸收双链RNA达到RNA干扰的效果。或者培育工程菌共生的农作物，同样能够在害虫吃作物时摄入干扰RNA，从而达到害虫防治的效果。在这个过程中，RNA干扰被分为两类。细胞自主RNAi和非细胞自主RNAi。细胞自主RNAi是指发生在细胞内的RNAi，而非细胞自主RNAi需要将沉默信号从一个细胞到另一个细胞和从一个组织到另一个细胞的摄取和/或运输到细胞内。非细胞自主涉及环境RNAi现象，通过浸泡或喂食的环境暴露触发RNAi。

将携带干扰RNA的菌种或溶液有效输送到害虫体内是保证RNAi防治害虫的关键步骤，目前主要有五种方式，包括基本递送方式，阳离子脂质体协助运输，纳米颗粒运输，共生体运输，转基因植物运输。目前应用最为广泛的是基本递送方式和转基因植物运输。基本递送方式有两类，首先是显微注射，它可以高效的将干扰RNA输送到目标位置，1998年第一类显微注射的成功为该技术商业化提供了基础；第二类是喂食的方式，将含有干扰RNA的菌液或将干扰RNA直接混入昆虫事物，同样能达到RNAi的效果。前提是需要将目的基因的dsRNA装载到合适的质粒上转染入细菌，后续供害虫取食吸收。如在甜菜叶蛾幼虫中喂食含有SeCHSA（几丁质合成酶）基因的dsRNA，可以引起角质层分层。同时SeCHSA是一个非中肠基因，摄入dsRNA成功实现基因沉默，表明可以诱导全身性RNAi。转基因植物输送方式第一例是在玉米中完成的，通过设计针对西方玉米根虫的致死性基因的dsRNA，并体外确认有效后转染进质粒构建转化体玉米，达到害虫防治的效果。

害虫在摄入dsRNA后，通过中肠上皮细胞吸收进入细胞并扩散到全身，条件性的触发系统性RNAi。在线虫中，由哈佛大学的克雷格亨特发现第一个11跨膜的通道蛋白SID-1基因负责线虫的系统性RNAi，随后又发现了在线虫肠道表达的SID-2蛋白负责从环境中吸收dsRNA进入中肠，因此发现了线虫环境性RNAi和系统性RNAi的机制。而在昆虫中，如马铃薯甲虫，发现了两个sid-1样基因，silA和silC，有类似线虫sid-2基因的功能，能将外界dsRNA吸收入甲虫中肠。有些昆虫可以通过内吞的作用吸收外界dsRNA，如在粉红甲虫中，通过将网格蛋白依赖的内吞作用抑制剂，能有效的阻止害虫对dsRNA的吸收。在后续的研究中发现，昆虫的这种内吞作用是由清道夫受体介导的，使用清道夫受体竞争性抑制剂同样能够阻止网格蛋白依赖的内吞作用。

昆虫的系统性RNAi因为物种差异而表现出不同的方式，如农业害虫褐飞虱，通过sid-1样基因介导系统性RNAi，但dsRNA是如何输出细胞并从细胞间转运的，目前还不清楚。由于有些昆虫没有sid样基因，所以不清楚喂食dsRNA发挥作用的具体机制。但在果蝇S2细胞中，已发现一种新的细胞间传递dsRNA的方式。S2细胞间会形成一种纳米管道样结构，可能负责在细胞间传递dsRNA。

昆虫细胞在吸收dsRNA后，会触发细胞自主性的RNAi。通过该机制来达到RNAi的目的。

将口服RNAi技术应用于害虫防治还面临许多挑战，接下来将从dsRNA稳定性，口服RNAi效率和口服RNAi的使用成本几个方面阐述。

dsRNA的稳定性不仅决定昆虫是否能够顺利摄取到dsRNA还涉及到未被摄取的dsRNA是否能够在一定时间内降解减少周围环境其他生物的接触。这包括施用dsRNA后其在环境中的稳定性以及dsRNA被昆虫摄入后在其肠道跟淋巴液中的稳定性。不同浓度的dsRNA在不同土壤中的降解基本都在24h左右。在温室环境的马铃薯叶片上能够存在至少28d。强紫外线照射可以使dsRNA在2h内迅速降解。所以环境中的dsRNA稳定西非常依赖于其施用介质和环境。在昆虫肠道中，酶解和化学水解会导致dsRNA的降解，而通过包裹dsRNA递送会显著延迟降解时间。饥饿等压力刺激也可以通过改变肠道环境如PH等降低dsRNA的降解。在淋巴液中，有些昆虫的dsRNA酶表达较高也会导致dsRNA无法在淋巴中稳定存在。

RNAi的效率在不同的昆虫中不同，一方面是因为上面提到的不同昆虫体内dsRNA稳定性不同，另一方面就是不同昆虫主动摄取dsRNA以及dsRNA在体内处理和传递的各种分子的表达存在差异。除此之外，dsRNA的设计对RNAi的效率也十分重要。在大多数昆虫中，相对较长的dsRNA分子更容易被肠道上皮细胞主动吸收。口服RNAi的靶标特异性也主要受到dsRNA的序列特异性影响。口服RNAi方式防治害虫跟化学农药一样都会使昆虫产生抗药性。除了目标基因的突变，昆虫还可能通过突变摄取以及处理dsRNA的关键基因产生对口服RNAi的直接抗性。

使用口服RNAi的经济成本还是较高的，目前能够产生目标基因dsRNA的转基因作物被认为是最便捷的口服RNAi防治害虫方法。实验室中更多的是直接体外转录产生dsRNA。依赖于细菌和酵母等能够自主产生dsRNA的微生物递送系统被认为是直接施用dsRNA害虫防控的非常有前景的方式。但在实验室中确定害虫靶基因和优化RNAi效率才是使用口服RNAi方式防治害虫的最初步骤，后期还要进一步进行田间测试，规模生产，毒性评估，提高使用者的接受度和扩大田间测试等直到最后的产品完成注册。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2023-12-28 Journal club PPT

by 朱培雯、苏祥彬、纪小小

2023年12月28日，我们将进行2023年度第十次Journal Club，组织者为朱培雯，参与者有纪小小、苏祥彬。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：Application of oral RNA Interference in Agricultural Pest Control

报告内容：

12:00-12:30  Overview of oral RNAi in Agricultural Pest Control–朱培雯

12:30-13:00  Mechanisms of oral RNAi in Agricultural Pest Control–苏祥彬

13:00-13:30  Challenges of oral RNAi in Agricultural Pest Control–纪小小

13:30-讨论

生物的竞争行为及其调控机制

动物在繁衍中的竞争策略

生物为了保障自己的基因得到延续，在繁衍阶段进化出了多种应对竞争者或潜在竞争者的竞争策略，以保障自己在繁衍竞争中占据优势，尽最大的可能将自己的基因延续下去。首先是发育阶段，当处于幼虫期的果蝇或蟋蟀，察觉到生长环境中有较高密度的同类时，或感知到成熟雄性的威胁（比如播放求偶歌），它们会发育出更大尺寸的生殖器官，用来生产和储存精子，提升生育力，占据繁衍优势。在哺乳动物田鼠中也存在类似的现象，处于发育阶段的田鼠接触更多性成熟的陌生雄性田鼠，会发育出更大的生殖腺。在求偶过程中，果蝇则通过调整求偶歌和感知信息素的嗅觉受体的灵敏度来应对繁衍竞争。中竞争环境中饲养过的果蝇，会延长自己的求偶歌burst duration,并且这种延长是通过发出更多个pulse song来完成的，而非延长interval的间隔时间。也就是说，意识到环境中可能存在竞争对手的果蝇会更卖力地唱求偶歌，以此提升自己在求偶中的竞争力，更易博得雌性关注。同时，在竞争环境中饲养出的果蝇也比单只饲养的果蝇具有更灵敏的嗅觉受体Or47b,Or47b对棕榈油酸有反应，这是一种普遍的信息素前体，通过提升Or47b受体的反应，可以激活下游的钙调蛋白激酶CaMKI通路，与CBP结合，作用与保幼激素JH的受体Met通路，共同调控P1神经元活性，响应气味刺激，提升求偶驱动力。接下来在交配过程中，意识到竞争者存在的雄蝇会延长自己的mating duration，通过更长的交尾时间来占据繁衍优势，研究表明，雄蝇通过多种冗余的感觉信号输入来感知竞争者的存在，这种冗余也带来了感知对手存在的鲁棒性。即使对手是镜子中的自己，雄性果蝇也会延长自己的交尾时长来应对竞争。这种延长交尾时间的表型由节律神经元PDF和NPF通过神经肽的方式相互沟通，共同调控。至于交配后，为了保证自己的交配能有效产下发育良好的后代，动物中也进化出了一些竞争策略。首先是在蜘蛛中普遍存在的，折断生殖器，堵住雌性蜘蛛的受精口，从而阻止其他雄性与之交配的策略。并且在这种情形下，破釜沉舟的雄性蜘蛛会具有更强的打斗水平，击退在附近的可能有求偶意愿的其他雄性。这种策略在海蛞蝓和章鱼中也有类似的表型。同时，性捕食现象也是一种存在于繁衍过程中的竞争行为，不过这是不同性别的个体由饥饿诱发的竞争行为，比如雌性螳螂在交配后，在食物紧缺的情况下，会因为体型优势和体力优势吃掉交配对象，蜘蛛也是类似，基于此，一些种属的蜘蛛进化出了在求偶之初便将竞争对手打包奉上的策略：它们用蛛网将对手捕获作为食物献给求偶对象。

繁衍是生物体延续基因的普遍行为，所以在繁衍中进化出的竞争策略，其本质都是为了个体的基因能得到更大几率的延续。在多种生物中得到了验证。从而也验证了基因延续是一种本能。

动物由食物引发的竞争行为

鸟为食亡，动物一生都在为了食物而拼搏，在寻找食物的过程中不可避免的会遇到竞争者，所以食物竞争指的是在寻找食物的过程中尤其是食物供不应求的情况下，动物会与自己物种中的其他动物以及其他物种竞争食物资源。自然界中存在很多对于食物资源的争夺，包括物种内的食物竞争以及种间食物竞争，甚至在其他情况下，一种动物物种是另一种动物的食物，食物竞争大致分为以下几类：1、表演比赛——指在食物和水供应有限的情况下，最勤劳、最聪明、最能干的动物会成功地找到吃的东西和喝的水；2、正面交锋——动物可能会为了同一块食物而互相争斗，不同物种的动物有时也会争夺相同的食物；3、掠食性竞争——掠食性竞争可以发生在一个物种内部，也可以发生在不同物种之间。一方从另一方拿走食物，在其他情况下，一种动物物种是另一种动物的食物。食物竞争对动物会产生很多影响，最明显的是体型和重量上的差异。在食物紧缺的情况之下，物种之间通常会表现出打斗行为的增加，打斗增加有利于更好的争夺食物资源，仅是食物的气味就足以诱导出一些动物的争夺行为，比如酵母对黑腹果蝇的影响。并且动物在食物区上花费的时间更多，食物区占用率也会进一步增加，这有利于动物保护自己找到的食物资源。在雄性果蝇中，食物区占用与攻击性呈正相关。除此之外在幼年时期的食物竞争也会影响成年后的行为和生理状况，对雌性的影响尤为显著。在果蝇中幼年时期食物竞争较弱的个体成年之后通常体型更小，重量更轻且繁殖力更低，成年之后的攻击性以及攻击的胜率也更低。在哺乳动物中食物资源与竞争联系的纽带在于——哺乳动物的食物攻击性行为与其他行为途径有关，包括进食行为和焦虑相关行为 ，这些联系由多种激素和神经递质系统维持，这些系统通过复杂的神经回路发出信号来控制攻击性行为，在小鼠中是由NPY-5-HT通路联系的，在果蝇中发现cVA 响应性Or67d 的激活可以通过促进攻击性来减少食物资源上雄性果蝇的数量以此来减少食物竞争。那么食物是如何调控攻击行为或者如何影响竞争？已经有研究发现在黑腹果蝇雄性中， Gr5a+ GRN 对于正常水平的食物引起的攻击性是必需的；在雌性中，食物气味通过OR47b 的 OSN导致攻击行为。

动物在领地竞争中的策略

1.生物领地竞争中的智慧决策

俗话说得好，一山不容二虎，老虎是领地意识极其强烈的动物，它们的争斗是为了领地和繁殖权。那么为了生存与繁衍，生物又会怎样来进行领地竞争？

（1）黑猩猩的高地战略。孙子兵法中说过“在敌人之前占领高地和阳光充足的地方，那么你就可以有优势地战斗”，研究者发现黑猩猩群体在领地争夺中也运用了高地战术。黑猩猩向对手所在地前进的可能性，取决于海拔、力量对比和距离，当比竞争对手站在更高海拔，距离更近，收集信息的范围更广时，他们进攻的可能性更大而不会撤退。

（2）鸟类的种间领地性。北美雀形目鸟类的研究中，同一科具有相似羽毛的物种之间更有可能存在种间领地性，而不同科歌曲相似的物种之间更有可能存在种间领地性，这说明物种之间的区域相互作用在宏观进化时间尺度上持续存在并形成了表型多样性。

（3）细菌的迁徙。细菌在软琼脂平板上迁徙的实验中，不同的细菌种群通过“细胞增殖”与“细胞迁移速率”之间的平衡，能自发地在不同的空间区域定植并稳定共存，达到微观生态进化的时间与空间的精细定量。

2.社会竞争的神经环路机制

动物通过领地的竞争角逐胜负而反映出自己的社会等级。近年来，科学家们以小鼠为研究对象，聚焦灵长类动物大脑中掌控思维、情绪及决策等的前额叶皮层（PFC），选择啮齿类动物与其功能同源的区域背内侧前额叶皮层（dmPFC），探究了神经元驱动的社会竞争行为机制。科学家们以小鼠“钻管实验”作为行为范式来评估相互竞争的小鼠的社会等级，确定了dmPFC是控制这一行为的神经基底，dmPFC神经元在行为过程中的“推挤”与“抵抗”的步骤时会被激活。同时，背内侧前额叶皮层中不同类型的神经元（椎体神经元与中间神经元）在社会竞争中发挥着不同的调节作用；中缝背侧丘脑(MDT)是前额叶皮层的主要上游之一，MDT-dmPFC环路的突触连接会介导“胜利者效应”； 外侧下丘脑（LH）接受来自于mPFC脑区锥体神经元的投射，mPFC–LH通路会编码社会竞争并调节社会支配行为。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2023-12-07 Journal club PPT

by 赵环

2023年12月07日，我们将进行2023年度第九次Journal Club，组织者为赵环，参与者有王蓉、涂雯。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：Competitive behaviors in animals and the underlying regulatory mechanisms

报告内容：

12:00-12:30 Competitive behaviors in courtship and the neuronal regulating pathways —— 赵环

12:30-13:00 Competitive behaviors for food and the neuronal regulating pathways —— 王蓉

13:00-13:30 Competitive behaviors for territory and the neuronal regulating pathways —— 涂雯

13:30-讨论

神经系统中的交响乐团——神经共传递

在大多数情况下，神经系统中的神经元通过释放一种叫做神经递质的化学物质来传递信息。我们常常以某个神经元释放什么样的神经递质来对其进行分类，就好像一个神经元只能释放一种递质一样，然而事实并不如此。无论是低等动物还是高等动物，涉及到的系统是简单还是复杂，执行何种不同的功能，神经共传递都是一个普遍存在的特征。

什么是神经共传递？

神经共传递（co-transmission）是指单个神经元释放超过一个分子，而这些释放的分子能充当信使影响靶细胞效应的能力。值得注意的是，建立共传递的标准与单一递质的标准是一致的。所以在单个囊泡或是单个突触末梢中同时存在超过一个化学物质的共定位（co-localization）并不一定意味着共传递，因为这些共定位物质可能不会被释放，或者即使被释放，也缺乏功能作用。

神经递质共传递有多种形式。在共释放（co-release）中，多个神经递质一起储存在相同的突触囊泡中，当这些囊泡与突触前膜融合时，不同的神经递质被同时释放。在其他情况下，神经递质可以被包装成单独的囊泡，不同的囊泡可以在不同的条件下被驱动与突触前膜融合，这意味着不同的神经递质(或不同比例的神经递质)的释放是可以被调控的。

共传递的历史观点是如何发展的？

长期以来对神经化学传递的一个主要认知框架就是戴尔原则——“one neuron，one transmitter”，以著名药理学家、生理学家亨利·戴尔爵士(Sir Henry Dale)的名字命名。戴尔是突触化学传递的主要奠基者，他在1936就神经传递是化学传递的发现荣获诺贝尔奖。戴尔在1934年纪念Walter Ernest Dixon的文章中写到：“每个神经元的化学本质是这个神经元的特征，并且是固定不变的”，因此他建议可以根据神经元释放的神经递质来对其进行分类，即使在今天，我们仍把释放乙酰胆碱的神经元称为胆碱能，把释放多巴胺的神经元称为多巴胺能，等等。此外，戴尔还讨论到在研究同一个神经元的两个不同的突触末梢时，对外周递质的鉴定是否可以为中枢的研究提供线索。在当时，科学家们就神经传递到底是化学传递还是电传递一直争论不休。戴尔的密友、神经生理学家约翰·埃克尔斯是突触电传递的主要倡导者，他于1963年就神经细胞膜兴奋性和抑制性的离子机制的发现荣获诺贝尔奖。在他1954年发表的研究论文中，埃克尔斯引用了戴尔首次阐明的原理，即一个神经元的所有突触末端都释放相同的递质，并称之为“戴尔原则”。所以，最初的“戴尔原则”并没有表明神经元只释放一种神经递质，这一误解是关于神经传递的假设的产物，因为当时已知的神经递质很少，而且也没有人发现神经元中有多种神经递质共存的证据。

在化学传递被确立后不久，共定位的证据出现在脊椎动物和无脊椎动物中。免疫组织化学技术的发展为共定位提供了最直接的证据，大量研究显示单个突触末端存在多种化学物质，如今，递质的共存更是成为常态。最早的关于神经共传递的可能性的正式陈述来源于对嘌呤能传递的分析。ATP在1972年被确定为一种递质分子发挥快速且短暂的兴奋性作用。伯恩斯托克作为嘌呤能神经传递的奠基者，在1976年发表评述“神经细胞能释放不止一种递质吗?”。虽然历史已经证明神经共传递的正确性，但研究共传递仍须克服许多实验挑战：首先要证明一个神经元中表达不止一种神经递质；其次必须证明不止一种递质在突触前以刺激诱发的方式释放；最后必须证明这些物质实际上与受体相结合，并在靶细胞中产生效应。

共传递能带来哪些丰富的信息？

神经递质极为多样的类型本就使得神经元之间的化学信号丰富异常。根据大小可以简单的把神经递质分为小分子的递质和大分子的神经肽，它们二者在化学本质、合成部位、储存位点、释放方式以及释放后的代谢类型等方面都存在着极大的不同。神经递质从突触前释放后通过受体引起突触后的电反应，而受体可以分为两个主要类型:一类是配体门控的离子通道，引起快速的突触后反应，但通常只能持续几毫秒；另一类是受体和离子通道相互独立的G蛋白偶联受体，它们可以和离子通道相互作用产生突触后电流也可以通过第二信使分子调节基因的表达，虽然它们产生的突触后效应较慢，但能持续更长的时间。此外，在小分子神经递质的范畴内，生物胺(多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素、血清素和组胺)通常被单独分为一类，因为它们可以从突触小囊泡释放到突触间隙，也可以从致密核心大囊泡释放到突触外，并且生物胺和神经肽一样被认为只产生缓慢的G蛋白受体介导的代谢反应。多个神经递质的组合，在突触前差异调节递质的释放(改变每种神经递质相对于其他递质释放的数量、时间或位置)，在突触后产生相加、相减、非线性甚至是全新的效应。

在突触后，每一类递质都有独特的效应。一般来说，递质的组合可以有三种形式：两类快速作用递质的组合；一类快速作用的递质和一类缓慢作用的生物胺；以及快速作用的递质和神经肽，它们可以产生快速和缓慢的、瞬时和长效的、兴奋性和抑制性的以及离子型和代谢型的效应。此外共递质在突触后还可以通过增强彼此的受体产生的效应发挥协同作用或是抑制受体产生的效应形成消极的通路。

在突触前，共递质不仅通过其突触后的受体作用于靶细胞，还可以作用于突触前的自受体，抑制或增强递质的释放。当不同的递质被包裹进同一个囊泡里时，一种有别于突触前自受体调控的机制同样能够调节突触前递质的释放量。囊泡协同就是指一种囊泡递质转运体可以增加该囊泡对另一种递质的摄取。当不同的递质被包裹进不同的囊泡里时，每个递质可以实现在时空上的差异释放。不同的刺激强度导致不同的共传递组分释放。一个最典型的效应就是低频率的突触前刺激导致局部钙浓度升高，此时只有小突触囊泡从active zone释放出来，随着刺激持续时间和/或频率增加，小的致密核心囊泡被释放，而致密核心大囊泡在突触位点以外的区域释放需要更高的刺激强度引起突触末梢的整体钙浓度增加。单个神经元还可以形成多个突触，并在每个突触上分布不同的囊泡（spatial segregation），这样通过囊泡的差异分布，独特的信息被传递到不同的突触后目标。

最后神经元的递质表型是可塑的。许多神经元在发育过程中表达的神经递质与成年期不同，即使在成年期，神经元也可以在不同的递质表型之间切换，以响应环境或生理状态的变化。在神经递质转换中，神经元可以从表达一种神经递质转换到表达另一种神经递质；获得额外的神经递质的表达；或是失去一种或多种神经递质的表达。

“one neuron，one transmitter”学说曾在一段时间内指导了化学传递相关的研究，它建立在三个基本假设之上: 1.每个神经元只表达一种神经递质；2.神经元的神经递质表型是固定不变的；3.一个神经元在它的每个突触上释放相同的神经递质。如今，全新的理解如下：1.大多数神经元表达多种神经递质，是不是所有的神经元都如此虽然还没有证据，但并不能排除其可能性；2.通常情况下，一个神经元在其所有突触上释放相同的神经递质，然而，已经发现一些神经元在不同的突触释放不同的神经递质；3.神经元的神经递质表型可以改变。这些偏离对神经系统的功能十分重要，因为它们带来了额外的复杂性和灵活性，神经元可以动态地调整其化学信号所携带的信息，从而使神经环路更好地适应时刻变化的内外环境，促进合适的生长发育及繁殖。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2023-11-02 journal club PPT

by 蒋昕钰

2023年11月02日，我们将进行2023年度第八次Journal Club，组织者为蒋昕钰，参与者有金思慧、李小龙。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：Neuronal Co-transmission: Cooperative signaling in the nervous system

报告内容：

12:00-12:30 Overview of neuronal co-transmission—蒋昕钰

12:30-13:00 Examples of dual- classical small-molecule transmitters–金思慧

13:00-13:30 Examples of neuropeptide and small-molecule co-transmission–李小龙

13:30-讨论

The feeding behavior in Drosophila

• Overview of feeding behavior in Drosophila

在果蝇中，关于进食行为，对包括味觉、神经和生理过程在内的机制研究增进了对feeding这种简单又复杂的行为的理解。研究feeding行为的意义就在于进食是所有生物体中最基本的行为之一，任何生物的进食行为，都涉及到对外部环境的感知以及吃或不吃的决策过程，最终的目的是要达到饱足状态和内部能量的平衡。这部分主要想和大家分享一下以下几点：①利用果蝇研究进食行为的主要方法有哪些？②feeding的主要行为步骤以及相关的神经-肌肉调控是怎样的？③生理状态或高糖饮食情况下的营养感知影响feeding行为的相关机制？④最后，feeding如何影响其他行为（以睡眠为例）。

因为果蝇的体积很小，消耗的食物量也相对较少，为了精确测量食物的摄入，研究人员开发了一些方法来测量食物摄入量、与进食有关的行为或参与食物消耗的神经元的活动。包括比色法、与比色法相类似的一种方法是使用放射性标记的食物源对食物摄入量进行急性测量、利用毛细管动态测量食物摄入量、喙伸展反应以及电生理等。

类似于求偶行为有固定和规范的行为步骤，果蝇摄食行为也有相应的行为模块。“吃或不吃”是果蝇进食决策中很重要的一部分，果蝇进食行为的激活取决于其对食物的感知以及自身的营养反馈。有吸引力的刺激比如甜味会触发喙向食物的延伸，而厌恶的刺激比如苦味会阻止喙的伸展。喙伸展反应是一种固有、连续的行为，这个看似简单的动作也涉及到复杂的行为和神经机制，这种动作序列需要在伸喙反应的不同时间点激活不同的肌肉群，支配喙部肌肉的运动神经元MNs主要位于一个特定的大脑区域，食管下区（SEZ），每个大脑半球至少有20个不同的运动神经元MNs控制着喙部十多个肌肉群的激活。果蝇进食行为由固定、连续的动作序列组成，其中，喙伸展反应（PER）通过中枢回路招募单个运动神经元来激活特定的喙伸展行为序列；唇部机械感觉神经元（内侧/外侧）通过NOMPC这种机械感受蛋白、两种神经元在时间上的先后激活控制两个相反的进食行为。

果蝇通过调节摄食行为可塑性达到代谢平衡状态，往往需要依赖以下几个方面：通过味觉等对食物和外部环境的感知；另外，一些神经肽在摄食行为中参与调节摄食决策的可塑性，胰岛素信号通路通过对自身营养状态的感知也就是内部生理代谢需求而决定是否进食。果蝇进食行为依赖于对自身营养的感知，高糖饮食会改变甜味感知神经元兴奋性（OGT活性上调），使得果蝇对甜味的感知变得迟钝，进而导致过度进食和肥胖；另外，高糖饮食这种不健康饮食习惯的影响会通过基于组蛋白H3K27me3的跨带表观遗传机制遗传给后代。

饱食和饥饿状态决定了睡眠和觅食之间的平衡。进食可以促进睡眠，而饥饿抑制睡眠。侧角LK神经元LHLK在饥饿条件下变得活跃，其活性取决于循环葡萄糖的水平以及在这些细胞中表达的translin基因（饥饿上升表达的一种易位蛋白基因）的上调。重要的是，胰岛素生成细胞IPC表达LK受体并接受来自LHLK神经元的输入。与饱食条件相比，饥饿条件下，IPC产生的果蝇胰岛素样肽DILPs水平降低，DILPs的一个关键下游靶点是SOG中的一对双侧神经元，DILP表达的抑制导致AKH（脂肪运动激素）激活，从而抑制睡眠，促进运动。同样，饱食条件下，循环葡萄糖水平调节LHLK的活性，通过LK向LK受体细胞发出信号进而促进睡眠。总结来说，进食和睡眠是相排斥的两种行为，进食可以促进睡眠，而饥饿可以抑制睡眠，其中，侧角LHLK神经元通过感知葡萄糖水平并通过LK受体将信号传递到下游，进而调控饱食或饥饿条件下的睡眠行为。

• Peripheral perception of major nutrients

生物体避免有毒有害化学物质并从其环境中寻求营养物质的能力对其生存和健康起着核心作用。环境线索的存在或不存在是通过果蝇体内存在的几种化学感受器来感知的。味觉感知在感知和传递环境细节方面起着至关重要的作用。环境中的常量营养素和微量营养素都是通过味觉受体神经元(GRN’s)中表达的多个味觉受体(GRs)来感知的。这些GRN存在于类似感受器的结构中，而这些结构又存在于几种不同的组织类型中。果蝇中有四种不同类型的GRN对四种不同的味觉物质有反应:糖、水、低盐浓度和高盐浓度。对高盐浓度有反应的细胞也参与苦味化合物的检测，并且主要参与厌恶进食。对果蝇基因组的分析显示，通过选择性剪接过程，一个60个GR基因家族共编码了68个GR蛋白。这些果蝇GR蛋白与嗅觉受体密切相关，属于g蛋白偶联受体家族，具有7个跨膜结构域，包含480个氨基酸残基。GRs位于雄性和雌性身体的不同部位的外部以及内部。在成年果蝇的外部，味觉感受器位于身体部位，如腿、前翼缘和唇瓣。除了味觉感受器外，唇瓣还含有味觉感知的味觉钉。在雌性中，产卵器周围的味觉感受器使它们能够感知产卵的首选营养地点。与雌性相比，雄性在前腿上拥有更多的味觉感受器，这有助于它们感知信息素，从而促进雄性求偶。在果蝇体内，一些受体也在中肠的肠内分泌细胞中异质表达，用于食物摄取、营养吸收和糖稳态。

果蝇能辨别包括糖，氨基酸，脂肪酸在内的多种营养物质。Gr5a和Gr64a是唇瓣中用于检测糖的主要受体。果蝇通过IR76b对氨基酸产生应答，尤其是交配后的雌性果蝇。Ir56d, IR25a和IR76b是检测脂肪酸所必需的。

3、Modulation of plasticity in feeding behavior

行为可塑性是指由于外部影响而发生的变化，包括适应、学习、记忆和早期生活经验的持久影响。两种行为可塑性:“发育性”，基因/环境相互作用来影响表型。发育是指一个基因型在不同的环境中表达不同的行为表型，与“学习”有关，这些过程发生在经验中，可能涉及肌肉骨骼的变化。“激活性”，指先天生理，可涉及机体的结构生理变化。激活可塑性是先天的或生理上的，涉及到潜在的网络。果蝇的摄食行为是由一系列的行为模块组成的，其中涉及到发育和激活的行为可塑性，并受到环境的影响。

外周味觉受体主要参与味觉检测过程，而参与进食过程的神经肽负责进食决策过程。化学受体、内部代谢状态和神经肽共同影响进食决策。一些神经肽参与刺激食物摄入，另一些神经肽起拮抗作用，阻碍进食过程。Hugin、Drosophila Neuropeptide F (dNPF)、structurally related neuropeptide F (sNPF)、corazonin、leucokinin (LK)、drosulfakinin (DSK)、allatostatin A (AstA)是参与调节进食行为的不同神经肽。

在这一部分，我们首先关注外部刺激的环境如何影响先天行为，例如水果气味如何抑制果蝇对二氧化碳的厌恶。其次阐述了果蝇的内部生理状态，特别是饱腹感水平，调节进食行为的神经调节机制。

• 外部环境：水果的气味抑制果蝇对二氧化碳的厌恶

果蝇天然厌恶二氧化碳气味，但是水果会释放出低浓度的二氧化碳。二氧化碳可被ab1C嗅觉受体神经元（ORNs）检测到。ab1C ORNs的激活导致了激烈的厌恶行为反应。第一，有水果气味存在时直接抑制ab1C ORNs的反应。有两种抑制机制，一种作用在ab1C上，另一种作用在ab1C与其邻近的ORN之间。前一种作用于定位于ab1C树突上的二氧化碳受体复合物（Gr21a/Gr63a）。某些水果气味可以直接与Gr21a/Gr63a相互作用，抑制ab1C对二氧化碳的反应。后一种作用于ab1A，它与ab1C位于同一个感受器内，果实气味对ab1A的强烈激活可能会减弱ab1C对二氧化碳的反应。

第二，当ab1C激活后，二氧化碳输入通过ab1C轴突传递到触角叶，ab1C末梢与投射神经元（PNs）形成突触，PNs是将二氧化碳信息传递到大脑高级区域的主要输出神经元。抑制性GABA能神经元接收来自多种ORN类型的兴奋性输入，包括对水果气味有反应的输入，从而减弱来自V型嗅小球的PN的反应，这一机制可能是通过激活PN树突上的GABAA受体。

第三，多种类型的PNs共同支配V型嗅小球。其中，两类PN是果蝇对低浓度（0.5%）和高浓度（2%）二氧化碳的行为厌恶的主要原因。PNv-1对低浓度的二氧化碳有反应，而PNv-2对不同浓度的二氧化碳表现出分级的反应。在侧角，一些接收PNv-1输入的更高阶神经元可以被另一种PN类型（PNv-3）抑制。PNv-3是GABAergic，可能属于果蝇嗅觉回路中的平行抑制通路。PNv-3的树突支配多个嗅小球，包括被水果气味激活的嗅小球。因此，水果气味激活PNv-3，选择性地抑制PNv-1神经元，而不影响PNv-2通路，从而介导对高浓度二氧化碳的厌恶。

• 内部环境：饱腹感状态调节果蝇的进食行为

饥饿通过提高嗅觉输入来调节进食：sNPF及其受体sNPFR1都在果蝇ORNs的一个亚群中表达。其中，DM1ORNs是促进果蝇觅食行为的必要和充分条件。通过下调胰岛素信号通路，饥饿增加了ORN轴突末端sNPFR1的表达，从而加强了DM1中的ORN-PN突触传递。因此，饥饿增强了DM1对水果气味的反应，从而触发了饥饿果蝇的更强烈的觅食行为。

饥饿通过增强味觉敏感性来调节摄食：短期饥饿增强了食管下神经节中Gr5aGRN的反应，这是果蝇大脑的主要味觉中心。饥饿导致SOG中的多巴胺释放，从而激活Gr5a突触前终端的多巴胺受体（DopEcR），促进Ca²⁺内流。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2023-09-28 Journal club PPT

by 陈江涛 苏祥彬 李子奇

2023年09月28日，我们将进行2023年度第七次Journal Club，组织者为陈江涛，参与者有苏祥彬、李子奇。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：The feeding behavior in Drosophila

报告内容：

12:00-12:30  Overview of feeding behavior in Drosophila –陈江涛

12:30-13:00  Peripheral perception of major nutrients–苏祥彬

13:00-13:30  Modulation of plasticity in feeding behavior–李子奇

13:30-讨论

Unveiling the Deepest Secrets of the Animal Emotions

当科学家们开始深入研究动物的情感时，恐怕有不少小动物开始感到自己像是走进了一部名为“情感大揭秘”的纪录片。你可以想象一下，一只聪明的小老鼠在实验室里拿着一杯咖啡，戴着一副小眼镜，坐在一张迷你桌子前，认真地翻阅着最新的神经科学文献。另一边，一只酷炫的小鸟儿在麦克风前唱起了“情感研究之歌”：“我和你的心情，从此刻开始有了联系，科学家们在研究，这不是个笑话！”人们常常以为只有人类才拥有复杂的情感，但越来越多的证据表明，动物王国中的成员们也是情感的高手。就如同猫咪对于纠缠在绳子上的小球表现出的兴奋，或是猴子在合群游戏中流露出的友好互动，这些动物们似乎已经踏上情感的旅程，而科学家们则像是这场探险的引领者。这场科学之旅，穿越了大脑的神秘通道，探索了神经元的心情日记，甚至揭示了杏仁核的“害羞角落”。而我们这些观众，不禁感叹：原来在动物的世界里，也有着如此丰富多彩的情感交响曲。从果蝇的“恐惧卡巴雷”到猫咪的“好奇狂想曲”，每一个小节都是一次跨越物种界限的音乐盛宴。在本次科研主题汇报中，让我们随着前人的研究步伐，一起踏上揭秘动物情感的探险之旅。

一．动物具有情绪吗？

动物情绪研究是一门令人着迷的领域，它不仅能够揭示动物世界的奥秘，还有助于我们更好地理解人类自身的情绪体验。在本段报告中，我们着重介绍了动物情绪研究的历史、基本概念以及情绪在动物界的存在意义。

动物情绪研究的历史回顾

动物情绪研究的历史源远流长，早在古代哲学家和观察家就开始探讨动物内心世界的可能性。然而，正式的科学研究在19世纪才开始迈出重要一步。查尔斯·达尔文（Charles Darwin）的著作《种类起源》中提出了动物情绪的可能性，尤其是在他的后续著作《人类与动物的情绪表达》中详细探讨了这一观点。这些想法在当时引起了许多讨论，但是直到20世纪，科学界开始以更系统和实验性的方式研究动物情绪。在本次报告中，我们主要以David J. Anderson和Ralph Adolphs教授的观点来讲述动物情绪的基本概念和研究方法。

动物情绪的基本概念

Anderson和Adolphs提出了明确的概念框架来区分日常生活中对“情绪”的理解与科学研究中的情绪。从科学角度，他们定义情绪为一种内在的中枢神经系统状态，会引发生理、行为、认知和主观反应。这种科学定义为跨多种模式动物进行系统研究提供了基础。为了在这一框架下进行研究，他们提取了情绪的四个普遍特性，称之为情绪基元（emotion primitives），构成了所有情绪的基础。这些基元包括效价（Valence）、可扩展性（Scalability）、持续性（Persistence）和概括性（Generalization）。效价表示情绪具有内在的价值性，可以是积极的或消极的，例如喜悦和愤怒。可扩展性指情绪行为随基础状态强度的变化而增减，与反射性不同。持续性表明情绪行为会持续一段时间，与引发刺激的持续时间不同。泛化性表示同一情绪状态可以被不同刺激触发，且唤起后能影响对其他刺激的反应。这一概念框架可通过观察记录能体现情绪基元特性的参数来定义动物的情绪行为。需要注意的是，动物行为中展现出情绪基元特性并不必然意味着动物在俚语中具有“情绪”，因为科学定义中的情绪与俚语含义不同。

情绪在动物世界的存在意义

动物情绪的存在引发了一个重要的问题：为什么动物需要情绪？从进化的角度来看，情绪可能是动物在适应环境中的关键工具，为动物在适应和生存中提供了显著的优势。首先，情绪可以引导行为的选择。在动物王国中，情绪对于行为选择和决策至关重要。恐惧情绪可能促使动物在面对威胁或危险时采取逃避或躲藏的策略，从而保护自己的生命。这种反应有助于确保个体能够逃离潜在的威胁，提高其生存机会。另一方面，愉快情绪可能激发动物去探索新的环境、寻找食物或与同类互动，这些行为有助于获取资源和繁殖机会。此外，情绪可以让动物在适应环境时更具灵活性。情绪状态可以根据环境需求进行调整，帮助动物在不同的情境下做出最适合的反应。例如，当动物遭遇新的、不熟悉的情况时，它们的情绪状态可能会变得警惕和谨慎，以便更好地评估风险和机会。

二．动物情绪样行为的研究方法

鲁迅先生曾经说过“人类的悲欢并不相通”，这体现了情绪识别的复杂性。因此在探究动物情绪样行为时，必须要有一整套精确而系统的方法才能准确全面的对动物情绪进行评估，通常包含以下几个方面：1.行为观察与描述。首要的方法是通过观察和描述动物的行为来了解它们的情绪。研究人员记录动物在特定情境下的行为变化，例如对刺激的反应、身体姿态、活动水平等。这种观察提供了初步信息，帮助确定与情绪有关的行为。2.生理指标测量。生理指标，如心率、血压、荷尔蒙水平等，可作为评估动物情绪状态的指标。这些生理指标的变化可以揭示动物对刺激的生理响应，从而推断其情绪状态。例如，通过监测皮肤温度变化间接了解其情绪状态。3.认知测试。运用认知测试测量动物对不同刺激的认知能力和反应方式。例如，使用条件反射实验观察动物对不同刺激的学习和记忆能力，从中推断其情绪体验。认知测试揭示动物在不同情绪状态下的行为差异。4.行为学实验。设计行为实验观察动物对不同刺激的反应。这包括暴露动物于模拟情绪刺激，然后观察其行为变化，如逃跑、攻击、探索等。实验结果帮助理解动物情绪状态及其变化。5.神经影像技术。使用神经影像技术，如脑电图（EEG）、功能性磁共振成像（fMRI），观察动物在不同情绪状态下脑部活动变化。这些技术提供关于动物情绪处理的神经基础信息。6.情绪基元特性观察。根据情绪基元的特性，如持久性、泛化性，观察动物行为中是否存在这些特征。持久性情绪行为持续一段时间，泛化性表示同一情绪状态对不同刺激的反应。通过观察这些特性，初步确定动物是否具有情绪体验。7.跨物种行为比较。跨物种研究是了解动物情绪的另一方法。观察不同物种在类似情境下的行为变化，比较它们的情绪反应是否类似。这有助于揭示情绪在进化中的共性和差异。在实际的研究过程中，研究人员需要综合运用不同技术和方法，以得出全面准确的研究结论。

三．情绪对动物行为的影响

情绪对动物行为的影响一直是生物学、心理学和认知科学领域的热门研究议题。随着对动物认知能力的深入了解，越来越多的研究证据表明，情绪状态在塑造和调节动物行为方面起着关键作用，这进一步加强了动物情绪研究的重要性。本部分内容将结合所述文献进行一个概括性的总结。

行为是动物情绪的重要表达方式之一。通过观察动物的行为，我们可以推测它们当前的情感状态。这种行为与情感之间的关系是动物行为学和神经科学领域的核心研究内容之一。研究表明，动物在情感状态下会表现出特定的行为模式，这些行为模式反映了它们的情感体验。例如，恐惧情绪可能表现为逃避、躲藏、战斗或者出现害羞的行为。愉悦情感可能会表现为蹦跳、舞蹈、呼唤、嬉戏等积极的行为。这些行为不仅是情感体验的外在反映，还可能在一定程度上帮助动物适应环境，增强生存能力。对于一些社会性动物来说，情绪通过行为的表达尤为重要，因为它们需要在群体中协调行为，维持社会联系。例如，猴子之间的咆哮和亲吻可以传达威胁或友好的情感。狗的摇尾巴和脸部表情也是它们与人类和其他狗交流的方式。动物的行为在不同情感状态下可能会有所变化，但同样的情感状态也可能在不同情境下表现出不同的行为。这反映了行为的可塑性和适应性。例如，同一个动物可能在面对不同的威胁情境时，表现出攻击或逃避的行为。研究人员通过研究动物行为和神经活动之间的关联，揭示了情感背后的神经回路。如恐惧情感可能与杏仁核的活动增加相关，奖赏和愉悦感可能与多巴胺通路的激活有关。

随着近些年的发展，科学家们对于抑郁情绪的研究尤为关注，抑郁情绪对动物及人类自身的影响是一个备受研究关注的领域，尽管我们无法像对人类抑郁症的研究一样直接地诊断动物是否患有抑郁症，但是可以通过多种行为实验，遗传改造等多方面手段构建出抑郁样的模式动物，主要是小鼠，甚至有研究人员在果蝇中也构建出了抑郁样的果蝇。这些构建完成的模式动物只要表现出相关的行为特征及生理反应即可被认为是合格的模型。通过对这些造模的模式动物的研究，科学家们发现了抑郁情绪会影响动物的各个方面。如抑郁情绪的动物可能表现出行为改变，如社交退缩、活动减少、食欲减退和兴趣丧失。抑郁情绪可能导致动物对应激刺激的过度敏感。研究表明，受到长期压力和负面刺激的影响，动物可能会产生皮质醇等应激激素的过量分泌，从而影响其生理平衡和行为。抑郁情绪可能干扰动物的学习和记忆能力。一些研究表明，受到抑郁情绪影响的动物可能在认知任务上表现出障碍，出现学习困难和记忆衰退。

抑郁情绪可能与神经递质的改变相关，尤其是与多巴胺、血清素等与情绪调节有关的神经递质。抑郁情绪可能引发一系列生理变化，包括免疫系统功能下降、炎症反应增加和能量代谢异常等。这些变化可能与抑郁情绪对动物整体健康的影响密切相关。

综合而言，情绪对动物行为的影响是多维度的，涵盖了行为选择、适应性反应以及外界刺激的感知和评估。通过深入研究情绪对动物行为的作用机制，我们能够更好地理解动物的认知和适应能力。这也为探讨情绪在不同物种中的进化和功能提供了重要线索，同时也有助于拓展对人类情绪与行为的理解。

对动物情绪的深入研究不仅有助于我们理解动物“内心世界”的复杂性，还为我们认识人类情绪提供了有用的参照，同时也在伦理、道德和人与动物之间的关系等议题上引发了深刻的思考。通过更深入地了解情绪的存在意义，我们更能够认识自己作为情绪体验者的本质，从而构建更加丰富和共鸣的连接。同时也能够更好地尊重和保护与我们共同生活在这个星球上的其他生物。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2023-08-31 Journal club PPT

by 高灿

2023年8月31日，我们将进行2023年度第六次Journal Club，组织者为高灿，参与者有邢丽敏、马铭泽。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：Unveiling Emotional States: Decoding the Emotional World of Animals

报告内容：

12:00-12:30 Do animals have emotions like us? –高灿

12:30-13:00 How to study emotion-like behaviors in animals? –马铭泽

13:00-13:30 Impact of animal emotions on behavior. –邢丽敏

13:30-讨论

果蝇生殖行为的进化

包括人类在内的所有生物都会随着时间的推移而进化。随着2007年12种果蝇基因组测序的完成，不同果蝇种间行为差异、神经回路的解剖和生理差异与遗传变异的因果逐渐联系起来，为我们理解动物多样化的行为提供了有力证据。本期Journal Club围绕果蝇生殖行为进化的研究方法，物种间信息素感知、相关神经回路及行为的差异展开讨论，要点总结如下：

不同的研究方法

（1）数量性状位点分析QTL。数量性状位点是影响复杂性状差异的遗传位点，可以是多个遗传位点。种间杂交提供了对任何感兴趣的性状的遗传结构的初步分析，可逐步缩小染色体位点直到具体的基因，例如，D. simulans和D. mauritiana雄蝇求偶歌的进化差异最终被定位到slowpoke基因。

（2）高通量测序。在选定物种中分析基因的差异表达模式，如利用microarray或高通量RNA-seq。例如，通过比较D. sechellia、D. simulans和D. melanogaster的主要嗅觉器官的转录组，发现了多个差异表达的化学感受基因；或通过给予不同的刺激（如是否暴露在某种气味下），再检测不同物种之间特定组织转录组的差异。

（3）参考D. melanogaster中已有的神经元种群的解剖或生理特性进行有针对性的研究。例如Richard Benton实验室以D. sechellia为模式动物研究行为进化的许多研究都是建立在对D. melanogaster保守的感觉器官形态和完善的配体/受体/神经元图谱的指导下进行的。在某些情况下，不需要特定的遗传工具，只需要进行外周化学感觉神经元的电生理记录，就可以比较不同物种神经发育和行为进化上的差异。

雄蝇求偶进化导致物种间生殖隔离的神经基础

（1）雄蝇对同种或异种雌蝇识别的进化（神经环路）

D. melanogaster雄性识别同种雌性主要是由雄性前腿的tarsi上共表达ppk23，ppk25和fruitless的感觉神经元识别了雌性特异的信息素7.11-HD，从而通过兴奋性vAB3和PPN1和抑制性mAL的中间神经元将信号传递至P1神经元并引起兴奋性的P1神经元的发放从而起始求偶；而D. simulans雄性虽然感觉神经元依然能够响应7.11-HD，但却由于中间神经元mAL的抑制信号相对于vAB3的兴奋性信号更强，导致P1神经元无法被激活，从而使得D. simulans的雄蝇不会对D. melanogaster的雌蝇求偶。

另外，黑腹果蝇中雄性前腿的tarsi上表达Gr32a的神经元可以抑制雄性对异种雌性的求偶，然而D. simulans雄蝇中Gr32a神经元却并不能抑制种间求偶。

（2）雄蝇求偶歌的进化（基因和神经环路）

Yun Ding等研究者通过QTL等实验发现：D. simulans雄蝇的正弦求偶歌的频率之所较D. mauritiana的频率低是由于D. simulans雄蝇中的slowpoke基因的内含子中插入了一段逆转录元件而影响了该基因的选择性剪接，最终导致了求偶歌的改变。

此外，D. melanogaster和D. yakuba两种雄蝇产生的求偶歌有差异，但对于雌蝇的追逐过程中产生求偶歌的策略却是一致的，即近距离时产生振幅小的求偶歌而远距离时则产生振幅大的求偶歌，这是由于求偶歌产生的关键下行神经元pIP10在两个物种中的作用是保守的，推测其差异可能是由于pIP10下游的神经元的改变而导致的。

雌蝇产卵行为的进化

“父母之爱子，则为之计深远”，昆虫也不例外，除了少数可以为后代提供亲代照顾的昆虫之外，在何处产卵代表了雌性昆虫为后代做出的最后决定。下面以D. melanogaster，D. sechellia和D. suzukii 为代表，总结果蝇产卵偏好的进化情况。

（1）D. melanogaster偏好在柑橘类的水果上产卵，研究发现位于果蝇antenna中的ai2A嗅觉感受神经元可以特异的识别柑橘类水果中的柠檬烯。而柠檬烯是果蝇的天敌寄生蜂厌恶的气味，猜测D. melanogaster为了躲避寄生蜂对果蝇卵的寄生，进化出了在柑橘类水果上产卵的偏好。

（2）D. sechellia特异的在诺丽果中产卵，诺丽果的气味可以对D.sechellia产生长距离的吸引，这种长距离的吸引依赖嗅觉受体OR22a和OR85c/b。与D. melanogaster相比，D.sechellia 中Or22a神经元胞体数量更多，同时Or22a神经元的投射也发生了改变，这可能是进化过程中D.sechellia被诺丽果特异吸引的原因。诺丽果的气味可以在短距离内刺激D.sechellia雌蝇的产卵，诺丽果中的己酸类物质可以被Ir75b识别，从而诱发雌蝇的产卵。

（3）D. suzukii是一类农业害虫，专门在新鲜的水果上产卵，为此，在进化过程中产生了更大，更坚硬的产卵器。与此同时，D.suzukii感知苦味和糖的相关基因表达量的减少，也是使其在进化上逐渐偏向在新鲜水果上产卵的原因。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2023-06-29 Journal club PPT

by 彭琼琳 纪小小 陈洁

2023年6月29日，我们将进行2023年度第五次Journal Club，组织者为彭琼琳，参与者有纪小小、陈洁。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：The evolution of reproductive behavior in Drosophila species

报告内容：

12:00-12:30  The interspecific differences of Drosophila species –彭琼琳

12:30-13:00  Male courtship evolution underlying reproductive isolation –纪小小

13:00-13:30  The evolution of female oviposition preference –陈洁

13:30-讨论

可塑性被用来描述不同科学分支的各种现象，尤其是在神经科学领域。可塑性的概念起源于1864年Henri Tresca发表的关于金属的一种特殊性质的假设。根据他的假设，当施加的力超过一定阈值时，金属就会进入流动状态。可塑性这一词在几十年后进入了生物学领域。1890年William James将生物体的形态可塑性与其行为联系起来。可塑性的定义：一种现象只有在结合了形态和功能变化的情况下才能被称为可塑性。此外，这种变化必须是持久的，即使触发这种效果的事件只是暂时的。在果蝇的嗅觉系统中观察到了这种形态和功能的变化。

1. 果蝇嗅觉系统的构成

果蝇用触角和上颌触须去探测气味，这些结构表面覆盖着各种类型的感受器，其中一些具有嗅觉功能，而另一些则参与感知非嗅觉线索。触角上约有410-460个嗅觉感受器，上颌触须上约有60个嗅觉感受器。嗅觉感受器在形态上可分为四组:棍棒状、毛状、锥状和形态上不太明确的中间感受器。气味结合蛋白(OBPs)存在于这些感受器中，他们可以将化合物运输到嗅觉感觉神经元(OSNs)的受体或通过与气味剂形成复合物来促进受体的激活，OBPs也在清除受体的化合物以终止反应中发挥作用。OSNs表达嗅觉(ORs)、味觉(GRs)或嗜离子性(IRs)受体，这些受体与配体结合。

触角和上颌触须嗅觉感受器的OSNs将信号通过轴突传递到第一级嗅觉处理中心——触角叶(AL)。AL是由许多嗅小球构成，在AL中，OSN、投射神经元 (PN) 和局部中间神经元 (LN) 在嗅小球中通过突触相互连接。OSNs将信号传递给LNs，LNs将信号传递给PNs，PNs会把接收到的信号传递给果蝇高级脑中枢——蘑菇体（MB）和侧角（LH）。MB是一个参与高级认知任务的神经中枢，如嗅觉学习和记忆、情境依赖气味评估和不同感官模式的整合。MB的输入区域是它的花萼。LH是第二个接收来自PNs输入的大脑区域。LH是一个参与先天行为的神经区，但最近研究表明，LH也参与记忆任务的调节。

2. 果蝇嗅觉系统经验依赖的可塑性

果蝇拥有一个复杂的嗅觉系统，能够识别大量结构不同的气味分子。成蝇的嗅觉系统有约1300个ORNs、62个ORs和约50个嗅小球。果蝇的触角叶（AL）是研究最彻底、理解最透彻的神经元结构之一。AL中包含不同的嗅小球，可以通过其特定的位置和大小来识别。

在2001年首次记录了果蝇嗅觉系统中经验依赖可塑性的案例。果蝇在羽化后暴露于苯甲醛，检查其大脑，发现嗅小球体积下降，并且伴随着嗅小球中突触数量轻微减少的趋势。且苯甲醛暴露结束的７天后仍能观察到体积减小。并且只有当果蝇在成年早期(关键期)接触气味时，才能诱发经验依赖性可塑性效应。果蝇暴露于CO₂会使V嗅小球体积增大，随着暴露时间的增长这种差异会增大。当果蝇在成年后较晚的时候暴露在CO₂时，不能诱导嗅小球生长。经历可塑性变化的能力可能会在整个成年期保持下去，或者至少比以前认为的要长，只是需要更强的感觉刺激。

羽化后12h内的果蝇暴露于丁酸乙酯（EB）或CO₂ 4天后测量相关嗅小球中PN标记的GFP阳性像素，可以发现不同气味特异性地增加不同嗅小球PN树突的大小。揭示PN树突的生长是促进嗅小球生长的一个因素，并且EB或CO₂诱导的PN树突增加需要羽化后在关键期内的气味暴露。

对于目前为止提到的关于黑腹果蝇嗅觉系统中经验依赖性可塑性的文章，通常在暴露期内使用了非常高的气味浓度。在这些研究中，气味的供应在大多数情况下是通过一个装有气味剂溶液的穿孔离心管来实现的。因此，气味分子在整个暴露期内无处不在，导致受体受到强烈和非自然的刺激。在如此高的浓度下，气味分子与受体的结合特异性较低，这可能导致难以解释和检测的效应。此外，由于这些高浓度和强烈的暴露过程，观察到的暴露效应可能是由兴奋性毒性而不是经验依赖性可塑性引起的。

为了防止这种影响，Gugel等人使用脉冲暴露系统，在相对低浓度的气味中放置1秒，然后在环境空气中放置20秒。这种暴露方法接近于自然条件，在自然条件下，一种特定的气味通常不会一直存在。脉冲暴露系统的另一个积极的作用是神经元反应不太可能适应暴露的气味。他们发现在一些嗅小球如DL5和VM7中，ORN直接输入的长期激活增强了PN对弱刺激的气味反应，然而，这种影响似乎并不是普遍存在于所有嗅小球。

虽然嗅觉输入是围绕每个嗅小球单位的前馈兴奋通道，但气味处理依赖于广泛的神经元网络，该网络介导嗅小球之间的侧向兴奋和抑制作用。因此，PN气味反应既反映了来自突触前ORN的直接输入，也反映了来自其他嗅小球活动的间接输入。观察到为PN提供直接输入的ORN的长期激活可以引起PN的一些可塑性，单类ORN的长期局部性兴奋可导致多个嗅小球PN气味反应特性的变化，包括不是直接连接的嗅小球。

3. 果蝇触角叶经验依赖可塑性的分子基础

dunce基因突变的果蝇在暴露于气味剂时，肾小球体积没有变化。该基因编码一种磷酸二酯酶，负责环磷酸腺苷(cAMP)的降解。 因此，该基因的突变会导致细胞中cAMP水平升高，这有可能对细胞内信号传导产生不利影响。这表明，细胞内cAMP水平似乎是肾小球体积变化原因。

rutabaga 基因突变的果蝇，其肾小球体积不受长期气味暴露的影响，rutabaga基因编码钙调素响应腺苷酸环化酶，该酶参与cAMP的合成，该基因的突变导致细胞内cAMP水平下降，这进一步强调了cAMP对经验依赖的可塑性效应的重要性。

notch基因在果蝇嗅觉系统的经验依赖可塑性中也发挥作用，该基因编码一种跨膜受体蛋白，它参与细胞间的信号转导，并在发育过程中实现各种功能。降低V或VA6 OSNs中的notch可分别消除长期暴露于二氧化碳或醋酸香叶醇所诱导的肾小球生长。

除了针对不同基因调控网络的实验外，一些研究还将重点放在突触递质上，以阐明经验依赖可塑性的潜在机制。减少GABAergic LNs的突触输出会抑制长期气味暴露的可塑性效应。相比之下，人工激活这些LNs足以引发可塑性效应。PNs中GABA 受体的敲低阻断了LNs和PNs之间的GABAergic信号传导，同样消除了形态可塑性效应。同样，通过敲低PNs中的NMDA R1受体会抑制从LNs到PNs的谷氨酸信号传导，这可以阻止肾小球生长。这些发现表明，谷氨酸能和GABAergic信号都参与了AL中经验依赖的可塑性效应。

总结而言，果蝇的嗅觉系统是一个非常复杂而又精密的系统，通过研究经验依赖的嗅觉可塑性，可以为我们后续研究其他系统的可塑性给与提示。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2023-05-25 Journal club PPT

by 李小龙

2023年05月25日，我们将进行2023年度第四次Journal Club，组织者为李小龙，参与者有姜思梅、涂雯。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：The olfactory system of Drosophila melanogaster

报告内容：

12:00-12:30  Overview of olfactory system in D. melanogaster –李小龙

12:30-13:00  Experience-dependent plasticity in the olfactory system of D. melanogaster –姜思梅

13:00-13:30  Molecular underpinnings of experience-dependent plasticity in the antennal lobe of D. melanogaster –涂雯

13:30- 讨论

“神奇动物在哪里”——蟑螂

说到蟑螂，你脑海里的第一印象是什么？是脏乱不堪的环境，随身携带的病菌，还是在周星驰电影里红遍大江南北的别称“小强”？然而关于蟑螂的知识，远远不止这些。。。。。。

关于蟑螂的起源可以追溯到约4亿年前的泥盆纪，对比化石和当下的蟑螂形态，二者并无太大差异，由此可见尽管地球经历沧海桑田，物种也几多变换，蟑螂仍然依靠其顽强的生命力，保留了最初的样子。蟑螂的研究最早起于1871年，近几十年，蟑螂更是成为研究领域的热门模式动物，在医学、生物学、工学等多项研究领域中做出贡献。蟑螂目前已知的5-6000个种类中，其中约6种与人类关系尤为密切，其中德国小蠊和美洲大蠊更是重要，后者更在古代就入药医疾，如今更是作为康复新液的主要成分治疗多种疾病，因此，蟑螂虽然承担着“脏乱差”的固有印象，但其背后承载的生物学意义更值得探究。

蟑螂有什么样的发育特点？果蝇是我们熟知的完全变态发育的代表性昆虫，但蟑螂与之不同，是典型的不完全变态发育昆虫：以美洲大蠊为例，雌性产出卵鞘，孵化时幼虫向上顶，使闭合的卵鞘缝裂开而逸出，随后若虫经过6-14次的脱皮，才发育成成虫。雌雄两性成虫可凭他们的外部形态很容易区分：雄蟑螂的尾端具有两对附器，1对为分节状尾须，还长有1对细小的针突（腹刺）；雌蟑螂尾端只有1对附器，即尾须，无针突，雄蟑螂的体形一般都比较瘦小、细长、而雌蟑螂则肥厚，宽大。

蟑螂的性别决定通路和果蝇有何不同？昆虫的性分化途径虽然在后生动物中是独一无二的，但在300亿年的昆虫进化中显示出深度保守。该途径具有三个显着特征。首先，双性（dsx）基因在男性中被拼接成男性特异性亚型，在女性中被剪接到女性特异性亚型中;两种亚型编码转录因子，它们共享一个共同的N末端DNA结合结构域，但具有相互排斥的C末端，这导致它们对下游基因表达和形态发育具有不同且通常相反的影响。其次，dsx的选择性剪接由RNA剪接因子转换器（tra）控制;第三，tra本身被交替剪接，使其仅在女性中产生功能性蛋白质，而在男性中，过早的终止密码子导致截短的，无功能的Tra蛋白。因此， dsxM亚型是默认产生的，而dsxF亚型的产生需要tra的积极干预。在B. germanica中，tra仍然控制雌性dsx剪接，并且是雌性性分化所必需的，这点和全代谢昆虫中一致。令人惊讶的是， dsx基因是男性性分化所必需的，但在女性中似乎是可有可无的；在这方面，蟑螂更类似于甲壳类和非节肢动物，而不是全代谢昆虫。

蟑螂的感觉系统有什么特殊的吗？蟑螂的习性特点是杂食、夜行，这也反映了其感觉系统的复杂性。蟑螂的眼睛有一对复眼一对单眼，复眼感知物体轮廓，单眼感知光线，但目前的研究显示其视觉作用远小于嗅觉味觉等化学感知系统。蟑螂中有 154 个候选 OR，522个候选GR 和 640 个候选 IR，且触角和口器包含约96个OR，61个IR / iGluR（53个IR和8个iGluR）和33个GR。并且其有205个嗅球，相比果蝇的50个多了4倍，，足以证明其味觉感知和信息处理的复杂型。其次，研究还发现蟑螂具有强大的味觉进化能力，帮助其规避甜味杀虫剂的诱导，从而壮大繁衍种群，在味觉进化的蟑螂中，甜味由激活甜味受体神经元转向激活苦味受体，从而产生糖厌恶表型，规避甜味杀虫剂，以及在此基础上，蟑螂同时进化了更快的求偶步骤和雄性特加尔腺分泌的成分，帮助雌雄的求偶和接受率的提升。

雌蟑螂一生一般交配一次，便可终身繁殖，每7ー10天即可产卵14ー40枚，夏天从卵孵化至性成熟（可交配）所需时间极快，最短的德国小蠊只需15～30天。

蟑螂是如何求偶的？和果蝇一样，蟑螂的求偶也是由一系列有序的求偶步骤组成的：包括寻找配偶、接触、释放雄性分泌物、雌性吸食雄性分泌物和交配。不同种类的蟑螂又有一些差异：1.美洲大蠊、日本大蠊雌虫会向空气中挥发性信息素吸引同类异性。2.德国小蠊的性信息素并不具挥发性，因此雄虫遇到雌虫时，会露出腹部背板腺体上的接触性信息素，引诱雌虫取食。3.部分蟑螂会通过肢体行为，如撞击、摩擦拍打身体部位，发出声音吸引雌虫。雌性美洲大蠊释放的挥发性信息素只需要十亿分之一克的超微量，就能让附近的雄蟑螂“闻讯赶来”与之交配，雄性蟑螂背部的特加尔腺分泌的催情信息(或“催情剂”)，主要用于引起雌性的交配和性接触或“摄食行为”。在蟑螂中，fruitless 是雄性性行为所必需的，fru作为雄性性行为主要调节因子的作用在昆虫进化过程中得到了保留。

为什么只有雌性合成信息素？与美洲大蠊不同，德国小蠊遵守严格的两性生殖机制并由雌性分泌接触性信息素诱导雄性求偶，控制信息素合成的最关键的基因CYP4PC1只在雌性中表达，并且在触角和翅膀中高表达，并且CYP4PC1的表达受到JH保幼激素信号传导途径促进，从而使得雌性在性成熟后具有更强的性吸引力。与该基因性别二态性的表达一致，性别分化基因dsxM在雄性中抑制其表达，而在雌性中dsxF并不产生抑制作用，从而使得CYP4PC1的性别差异性表达，并介导雌性的性吸引力。雌性信息素由雄性的嗅觉系统处理，由嗅觉感知神经元传递至两个专门负责信息素信息处理的嗅小球A,B，调控雄性进一步的求偶行为。

蟑螂被称为“小强”是名副其实吗？大多数蟑螂更喜欢糖和其他甜食，但它们的食谱还包括胶水、油脂、肥皂、浆糊、皮革、装订书本的粘胶甚至头发在内的几乎所有东西。其食性杂的生物学特性取决于其发达的味觉信号感知力和解毒能力。昆虫具有三大解毒酶系，细胞色素酶P450，谷胱甘肽转移酶和乙酰胆碱酶，而蟑螂的基因组中鉴定到178个P450家族基因，介导杀虫剂代谢解毒作用，是其产生抗药性的重要机制。此外蟑螂还有强大的免疫系统，蟑螂的先天免疫应答主要依靠Toll、Imd和Janus激酶-信号转导与转录激活因子（janus kinase-signal transducer and activator of transcription，JAK/STAT）3个先天免疫信号通路，已经鉴定出的11种抗菌肽使其具备抵抗细菌和真菌感染。

蟑螂另一个强大生命力的表现是其在若虫期的断肢再生能力。在对果蝇和脊椎动物的研究中，研究人员已经发现多种信号通路与伤口愈合和组织修复有关，例如Decapentaplegic (Dpp), Jun N-terminal kinase (JNK), Grainy head (GRH), Wingless (Wg), Notch, Hippo, 和Hedgehog (Hh) 。而这7条通路中的关键分子在美洲大蠊基因中同样被发现。已有研究团队通过实验证明Dpp通路在蟑螂断肢再生过程中对其伤口愈合和组织再生起到关键作用。

蟑螂忍饥挨饿的能力超强，可以在没有食物的情况下存活很长时间。蟑螂的头是真的有脑的，而且占据了头部大部分空间，脑部主管着整个虫体有关神经的反应及功能。只不过除了头部具有控制主体的大型脑外，头、胸、腹三个部分还有神经节点，每一个体节另有小型脑(神经球)，这种特别的神经系统叫作“分节神经系统”，其运动受神经节调控，使其对环境做出快速躲避反应。去头的蟑螂可以活一周左右，是因为蟑螂具有开放式循环系统，因此只要伤口能正常凝固，它们就不容易出血。它们的呼吸通过沿着身体两侧的气孔进出气体。最终，无头蟑螂会死于脱水或霉菌。美洲大蠊还具有独特的孤雌繁殖方式，这样即使在没有雄性的情况下，雌性依然能够产生后代，尽管后代的成功孵化率相对较低。

综上所述，蟑螂具有的庞大的基因组为其生存发育以及行为表现提供了坚实的基础，其独特的生理结构和强大的免疫系统等保证了其顽强的生命力，尽管目前关于蟑螂的报道已经层出不穷，但受限于基因技术在蟑螂的应用，很多神经和分子机制层面的问题仍亟待解决，随着去年CRISPR-CSA9技术在蟑螂领域的发展，我们也更加期待可以从蟑螂身上揭开更多生命体神秘的面纱！

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2023-04-27 Journal club PPT

by 邢丽敏

2023年04月27日，我们将进行2023年度第三次Journal Club，组织者为邢丽敏，参与者有王蓉、张豫宁。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：“Fantastic Beasts and Where to Find Them’: cockroaches

报告内容：

12:00-12:30  Overview of cockroaches –邢丽敏

12:30-13:00  Courtship behavior of cockroaches –王蓉

13:00-13:30  Why cockroaches can be called “Xiao Qiang” –张豫宁

13:30- 讨论

遗忘的奥妙

《资治通鉴》中记载了一位奇人。书中是这么说的，“融好文学，明辩过人，耳闻则诵，过目不忘，力敌百夫，善骑射击刺，少有令誉。”过目不忘是大部分人求而不可得的天赋，可是现实真是如此么？2006年报道了首位超忆症患者，吉尔·普莱斯，她可以准确地记住出生之后每天所发生的事情。而这种天赋带给她更多的是困扰，考试的时候因为会回忆出一大堆无关的东西而无法准确地写出答案；常常因为悲伤痛苦的回忆而陷入痛苦甚至失眠。由此可见，故事终归是被美化过的现实，无法遗忘也没有想象中那么美好。

在过去的很长一段时间，神经科学家们把研究的重点放在了学习与记忆上，普遍认为遗忘只是记忆的存储和提取发生了错误，遗忘本身似乎被大家所忽视了。1885年，著名的心理学家艾宾浩斯绘制了人类大脑对于新习得记忆的遗忘曲线，提出遗忘是在学习之后立即产生的，且遗忘的进程并不是均匀的，遗忘率随着时间的流逝先快后慢。随后，心理学家们对于遗忘的解释也产生了激烈的论证。有的科学家认为遗忘是一个被动的过程，会随着时间的流逝而消失。可也有证据表明，记忆的丢失并非是被动的，而是一种主动的过程。在记忆的窗口中，大脑会因为外界或内部刺激而影响其活性。干扰性遗忘、动机性遗忘、提取遗忘效应等多种主动遗忘类型也被科学家们所提出。

至此遗忘背后独有的神经机制一直都没被发现。直到2010年，清华大学的钟毅实验室找到了Rac这种小G蛋白，可作为分子开关，调控着遗忘行为的发生。当果蝇脑中Rac蛋白的活性降低之后，短期的厌恶性记忆得到了明显的延长，同时Rac活性的改变并不影响学习效果本身的好坏。遗忘和记忆的产生很可能是两条独立的通路。2016年，钟毅实验室还发现Rac蛋白调控的主动遗忘在进化上存在高度的保守性，以小鼠为模式动物，降低海马体的Rac活性有效地延长了小鼠图形识别的记忆衰退。随着研究的深入，他们进一步发现，和Rac同一家族的Cdc42蛋白参与并调控果蝇的长时程记忆。单次训练会激活Cdc42蛋白介导抗麻醉记忆的主动遗忘，而多次训练则会有效地抑制Cdc42蛋白的活性。不稳定的短期记忆和稳定的长期记忆分别通过Rac1/WAVE complex/Dia和 Cdc42/WASp/Arp2/3 complex两条独立的信号通路所介导，且很可能与神经元微丝骨架不同的生长方式有关。

同期Ronald L. Davis实验室也发现还有其他的蛋白突变会引起与Rac1突变类似的表型，如多巴胺的一种受体Oamb的突变。结合之前报道过的在蘑菇体中多巴胺通过受体dDA1介导学习记忆过程，他们推测多巴胺还可以通过Oamb介导遗忘。此外，他们还通过构建细胞传感器分别确定了以上两种多巴胺受体的下游信号通路，即多巴胺通过dDA1激活cAMP通路介导记忆，通过PLCβ通路介导主动遗忘，并且Oamb属于G蛋白偶联受体，其下游可能通过磷酸化反应激活某些小G蛋白（比如Rac1）引起广泛的生理水平变化。所以，蘑菇体不仅与嗅觉学习有关，最新研究表明它也参与主动遗忘。在蘑菇体中的Rac1可以被其他的骨架蛋白如Scribble募集，并与Pak3、Cofilin等分子形成聚合物，从而调控微丝骨架的解聚。

遗忘行为还受到内在状态和外界刺激的调控。传统观念上，我们都知道睡眠可以帮助提高记忆。Ronald Davis团队进一步阐明了其中的机制，通过药物来促进果蝇的睡眠之后，多巴胺能神经元活性被减弱，增进记忆保存的同时减少了遗忘的产生。钟毅课题组利用小鼠模型发现，社交隔离会导致小鼠的社交识别记忆下降，而这一遗忘机制由Rac1蛋白介导。社交隔离会激活小鼠海马区Rac1蛋白，重新社交活动则可有效地逆转隔离导致的Rac1蛋白激活。最后，学习本身也会激活Raf/MAPK信号通路来主动地保护形成的记忆。Raf/MAPK所抑制的遗忘可能是独立于Rac1信号通路的另一种遗忘机制。

遗忘的存在有助于更好的记忆。如果遗忘不存在，那么大量无用的错误的信息会存储在我们脑中，影响我们的正常生活。有研究表明自闭症患者的记忆灵活性失调是因为无法遗忘而产生。遗忘为我们及时抹除了不需要的记忆，为新的学习提供了足够的存储空间。随时发生的遗忘，何尝不是对机体的一种智能保护？

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2023-03-30 Journal club PPT

by 金思慧

2023年3月30日，我们将进行2023年度第二次Journal Club，组织者为金思慧，参与者有马铭泽、李子奇。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：Sometimes we need to forget

报告内容：

12：00-12：30  The overview of forgetting: Definition ang Types ——金思慧

12：30-13：00  The neuroscience of forgetting in Drosophila——马铭泽

13：00-13：30  The potential factors associated forgetting processing——李子奇

13：30- 讨论

Fig 1. Overview of visual feature-based behaviors and associated brain structures.

动物信息和记忆获取大多是由视觉系统来完成的。在过去的几十年里，从人到果蝇的视觉系统开始被广泛研究。在果蝇中，逐步发展的遗传工具的可用性、自由移动条件下的行为分析以及连接组学的进步使人们能够理解复杂视觉行为背后的神经系统的生理和解剖学细节。

本次Journal以果蝇的视觉系统和果蝇行为为主题，一方面讲述了果蝇视觉的基本结构，以及在视觉上的呈现方式，成像特点等；另一方面，我们描述了果蝇如何检测视觉场景的各种特征，视觉系统以及神经回路如何处理这些信号并引发适当的行为反应。特别强调了检测视觉特征（例如亮度、颜色、局部运动、光流以及平移或接近视觉对象）的神经回路，这对于趋光性、视神经反应、吸引（或厌恶）等行为很重要（Fig.1）。为果蝇大脑如何检测视觉特征和协调适当的行为反应提供了一个综合框架。

• 果蝇视觉系统的结构;

动物界中各类动物的视觉系统都有着不同的特点，以应对不同的环境需求，如青蛙拥有敏锐的视觉，可以清晰的看到移动的昆虫并捕食，但无法观察到静止的物体；猫头鹰的眼睛和颅骨直接相连，无法转动眼球，只能通过脖子来改变视角等。在果蝇中，成年果蝇视觉系统包含150000个神经元和神经胶质细胞。视觉信息由视网膜检测，而视觉处理发生在占大脑神经元60%以上的视叶中。视叶是神经元从视觉世界中提取重要特征的主要中心，例如形状、运动、颜色、偏振光的电子矢量方向，然后将其传输到中央大脑。

视叶：果蝇神经元被组织成大约50个区域，主要由称为神经细胞的神经元组成，其细胞体位于外围。视叶主要由四部分组成：椎板、髓质和小叶复合体，后者进一步细分为小叶和小叶板神经细胞。在视叶内可以识别两种主要类型的神经元：细胞体和投射保留在视叶内的中间神经元，以及将视叶连接到中央脑的投射神经元。

复眼：果蝇是典型的复眼眼型，由约800个称为小眼的单位眼组成。每个包含20个细胞，包括角膜细胞、支持细胞和色素细胞，以及八个感光细胞 (R1-R8)。感光细胞中含有视紫红质、光敏G蛋白偶联受体 (GPCR)，它们定义了感光细胞的光谱灵敏度。视紫红质对光子的吸收会激活G蛋白并触发光转导机制，从而将视紫红质的活性转化为电信号。具有不同光谱灵敏度的五种视紫红质蛋白——Rh1、Rh3、Rh4、Rh5和Rh6在果蝇视网膜的两类PR中表达。“外部”PR (R1-R6) 跨越小眼的长度并表达Rh1，它对蓝绿色波长具有广泛的敏感性。这些外部PR是暗光视觉所必需的，类似于脊椎动物的视杆细胞，并调节运动视觉和定向行为。在每个小眼的中心是两种“内部”PR：R7和R8。它们位于彼此上方，因此共享相同的光路。对于每个R7/R8对，每个PR中表达的Rhs的选择是耦合的，从而定义了小眼的两个主要亚型:’pale’ (p)小眼在R7中包含对紫外线敏感的Rh3，在R8中包含对蓝色敏感的Rh5, 而“yellow”(y)小眼在R7中表达较长的紫外线波长(Rh4)敏感的Rh和R8中对绿色敏感的Rh6。小眼的这两种亚型（p和 y）以大约30:70的比例随机分布在大部分视网膜中，并参与波长辨别和色觉。

果蝇的视觉特征：果蝇从周围场景中提取视觉特征，并使用它们来执行适当的动作。一个视觉场景可能包含大小、形状、亮度、颜色、位置和速度不同的视觉对象，我们在操作上将其定义为视觉特征。大脑中的神经回路处理来自视觉场景的信息以检测视觉特征，无论是来自单个物体还是来自具有相同特征的多个物体，以及然后诱导适当的行为反应。以果蝇的趋光性为例，Seymour Benzer发现果蝇的趋光行为——并确定了第一个趋光性突变体。趋光反应的强度不仅取决于光的强度，还取决于光的颜色。当果蝇遇到具有不同颜色光的区域时，它们最强烈地被紫外线吸引。与翅膀颜色暗淡的雄性相比，雌性果蝇更容易被翅膀颜色鲜艳的雄性吸引。

二，果蝇的视觉系统和交配行为;

黑腹果蝇雄蝇的求偶仪式由一系列相对固定的行为组成。在这些步骤中，多种感官信息包括味觉，嗅觉，视觉，听觉，机械感知协调工作。感觉神经元检测传递并处理雌蝇特定信息，以触发雄性求偶过程中不同步骤的运动输出。其中，视觉线索发挥作用主要是在第一步——orientation（定向），成功交配的第一步是雄蝇和雌蝇以适当的位置交配，视觉线索刺激雄蝇追逐雌蝇和定位。那么处理与求偶相关的视觉信号及神经回路是怎样的呢？

LC10神经元被鉴定将与求偶相关的视觉信号传递到中央脑，控制雄蝇的定向求偶行为。LC10在视叶的区域有广泛的投射。当LC10被神经元沉默导致功能异常后，雄蝇定位和接近雌蝇的能力大大降低。同时，当它们唱求偶歌时，靠近雌蝇一侧振翅的偏好性变差。另外，人工激活单侧LC10神经元时，会导致雄蝇同侧的身体转动和翅膀伸展。那么LC10神经元响应怎样的视觉信号呢？对于相对开放的环境中移动长条的出现，LC10沉默的实验组的响应与对照组无区别；而在密闭环境中出现的果蝇大小的移动光斑，LC10沉默后，雄蝇便失去了追踪能力。这些结果说明了LC10神经元响应于果蝇大小的移动目标。

P1神经元在雄蝇体内开启一种持续的性唤醒状态，在短暂激活P1神经元后，雄蝇开始震动单侧翅膀并追逐移动目标。在短暂移除视觉刺激后，重新引入视觉刺激可以迅速恢复雄蝇的追逐与求偶。这些结果说明即使在没有视觉刺激的情况下，雄蝇的持续性唤醒状态仍然是潜在存在的。之前的研究表明，LC10投射神经元是雄蝇定向求偶的视觉响应神经元，通过钙成像监测LC10a在AoTu区域的轴突末端活性，说明了LC10a在该区域的活性变化与视觉目标的响应紧密相关。通过光遗传激活P1神经元，同时观察LC10a活性发现，P1神经元的激活驱动LC10a对每一次的视觉刺激做出强有力的反应。P1神经元可以增强LC10a对特定视觉信息的响应。这些结果说明了P1神经元作为求偶中心调节视觉运动神经环路，以指导雄蝇的求偶行为。

当雌蝇暴露在有寄生蜂的环境中时，会加快雌蝇的交配行为，并且这种刺激是由视觉系统介导的。当寄生蜂存在时，雌蝇交配的latency会显著缩短。剥夺果蝇视觉后，加速交配的行为消失。因此，寄生蜂会触发雌蝇加速交配的防御反应，这种行为是由雌蝇的视觉系统响应的。

三，果蝇的视觉系统和躲避行为;

对于动物的生存和繁衍来说，采取合适的防御行为及时应对不同危险刺激的能力至关重要，由视觉诱发的本能防御行为表现为视觉阴影逼近的刺激（looming）会使动物产生本能的防御反应，如冻结行为和回避反应且视觉阴影参数不同，引发的防御反应不同。上方视野阴影刺激作为非条件刺激具有跨物种的保守性，果蝇、斑马鱼、啮齿类动物、非人灵长类和人类都会对这种刺激产生防御反应。

当遇到快速靠近的物体时，静止或行走的果蝇会执行快速、刻板的起飞动作。起飞动作包括中腿的快速伸展和翅膀的下沉，这种机制被证明是由一对大的 DNs 介导的，称为巨型纤维神经元（也称为DNp01）。DNp01主要从 LPLC2和LC4 VPN接收视觉信息。尽管LPLC2和LC4都对隐现的视觉图案敏感，但LPLC2对隐现图案的末端大小敏感，而LC4对图案的速度敏感。LPLC2神经元从T4/T5 细胞接收一些视觉输入，并且它们在小叶板中的树突被组织起来以选择性地检测径向扩展的视觉模式。LPLC2 和 LC4通过胆碱能突触连接到 DNp01，以诱导面对快速接近的物体时的跳跃行为。

对于缓慢接近的物体，行走的苍蝇会向后移动。Moonwalker descending neurons (MDN)会诱导向后行走，其视觉输入来自LC16 VPN。LC16对接近的视觉对象有反应，类似于LPLC2和LC4，但它们的激活导致向后行走而不是跳跃。尽管LC16和MDN之间缺乏直接联系，但显示它们通过包含至少一个胆碱能突触的通路在功能上相互联系。

为了响应隐约可见的视觉模式，飞行中的果蝇会展示着陆或逃生动作。着陆反应的特点是腿部伸展，并由两个DN控制：DNp07和DNp10。这些DNs用它们的树突支配一些OGs，并投射到VNC中的腿神经细胞。但是，这些 VPN 的视觉属性尚待表征。同样，负责响应横向（甚至中央）隐现视觉模式的回避飞行机动的视觉运动回路尚未确定。

在这次报告中，我们讨论了果蝇中视觉系统的结构和视觉行为的神经实现，包括视神经反应、物体反应等。回顾了检测相应视觉特征所需的视觉回路。然而，对于大多数的视觉行为，完整视觉运动回路的研究仍然不完整。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2023-03-02 Journal club PPT   

by 苏祥彬

2023年03月02日，我们将进行2023年度第一次Journal Club，组织者为苏祥彬，参与者有陈江涛、朱培雯。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：Visual system and Drosophila behavior

报告内容：

12:00-12:30 Overview of the visual system: from structure to functions —苏祥彬

12:30-13:00 Visual system and sexual behavior —陈江涛

13:00-13:30 Visual system and avoidance behavior —朱培雯

13:30- 讨论

背景

免疫系统是机体执行免疫应答及免疫功能的重要系统。由免疫器官、免疫细胞和免疫分子组成。机体的免疫又分为先天免疫和适应性免疫，随着免疫学的发展，特别是2011年Jules Alphonse Hoffmann在免疫领域获得诺贝尔奖后，以果蝇为模式生物来研究机体免疫掀起了一股热潮。果蝇具有强大的保守性先天免疫防御，是研究免疫系的新机制和范式的出色工具，那么果蝇的先天免疫机制和免疫活动包括哪些呢？对果蝇的生理状态以及后续行为输出又有什么样的改变？

此次journal的主题我们将果蝇的先天免疫相关内容进行介绍。

1、 果蝇的先天免疫类型及机制

先天免疫是抵御病原体入侵的第一道防线，在保护大脑免受感染、损伤和疾病方面起着至关重要的作用。果蝇的先天免疫果蝇先天免疫反应有三种效应机制:体液反应、黑色素化/酚氧化酶（PO级联）和细胞反应。细胞免疫反应由吞噬、包裹和杀死入侵微生物的血细胞组成，就像脊椎动物的巨噬细胞一样，涉及的 主要是浆细胞的噬菌作用。体液免疫反应包括可溶性因子的分泌，如抗微生物肽(AMPs)，在免疫激活后进入血淋巴，主要是由脂肪体产生抗菌肽它涉及一些信号通路，最主要的是两个NF-KB信号通路——TOII信号通路和IMD信号通路，Toll途径主要针对革兰氏阳性细菌和真菌被激活，而IMD途径主要针对革兰氏阴性细菌[25]被激活。黑化是黑色素沉积在伤口部位和寄生虫表面的过程，导致有毒活性氧的释放，通过 一系列的蛋白级联反应产生黑色素 ,黑色素沉积在伤口和外来物的周围 ,愈合伤口并杀死病原体。这些机制以各种方式依赖于通过Toll或imd信号通路检测病原体，此外果蝇免疫的机制还包括自噬、吞噬作用、RNA干扰(RNAi)。和果蝇的两性行为类似，果蝇的先天免疫具有性别二态性，在免疫应答时免疫相关基因上调或下调，这种免疫应答的不同继而会导致面对不同病原体时行为输出不同。

2、寄生蜂与宿主果蝇免疫的相互作用

在面对寄生虫侵扰时，幼虫会表现出rolling的行为以此来躲避寄生蜂的扎刺（ md IV 类神经元即参与幼虫对机械引起的躲避反应，又可作为位于幼虫角质层下的血细胞的微环境），并且引发机体黑化反应；对于成蝇来说，输出的行为则是躲避（视觉、嗅觉）以及产卵减少。根据苍蝇品系和黄蜂种类，黄蜂卵有两种命运，一种被封装，一种逃逸成功发育。L. boulardi的产卵激活两个免疫臂-血细胞存在于循环系统、分段角质层下的无柄细胞群和淋巴腺中。淋巴腺是幼虫背侧的小型造血器官。造血细胞簇（称为叶）沿着沿着动物前后轴延伸的背侧血管成对分段排列。幼虫淋巴腺是一种小型造血器官。在幼虫的第三龄期，淋巴腺包含一对位于背血管侧面的大前叶。三种细胞类型、浆细胞、板层细胞和晶体细胞的祖细胞位于前叶。

浆细胞占循环血细胞群的大多数，起非自我识别作用，具有黏附性，可在拟寄生物卵上扩散，以及负责吞噬小颗粒和死细胞，并且它们能够分泌AMP（抗菌肽）；晶体细胞在入侵的病原体和伤口周围产生黑色素；片状细胞仅在寄生蜂入侵时产生，并在浆细胞和晶体细胞的帮助下在入侵的寄生卵周围形成多层胶囊当层状细胞包围黄蜂卵时，它们与浆细胞形成多层胶囊，并释放第三种果蝇PPO，层状细胞特异性PPO3。寄生蜂刺伤会引起浆细胞和层状细胞增多。

感染时毒素有抑制细胞分化的作用。此外还有研究发现母本被寄生蜂干扰后，向后代传递了一种保护机制。成年果蝇可以在感知到类寄生虫的存在后，通过母体为模式识别受体提供mRNA来启动其后代的免疫系统，这导致幼虫细胞免疫反应的更快诱导。

• 果蝇先天免疫与睡眠

研究发现，Nur由睡眠不足所诱导并对于感染后的睡眠来说发挥着一定的作用。Nur编码一种抗菌肽，在神经元中表达时促进存活；Nur过度表达促进睡眠,其异位表达则会诱导睡眠。

未来以果蝇为模式生物来进行免疫后生理生化的研究会越来越深入，这种进化保守的免疫机制也存在于更高级的哺乳动物中，果蝇免疫失衡后的神经环路水平上的改变以及行为上的输出会为免疫新篇章提供更多的见解。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

 2022-12-29 Journal club PPT

by 王蓉

2022年12月29日，我们将进行2022年度第十次Journal Club，组织者为王蓉，参与者有高灿、邢丽敏。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：Congenital immunity of Drosophila

报告内容：

12:00-12:30  Introduction to the immune system and mechanisms of Drosophila –王蓉

12:30-13:00  Immune response of Drosophila –高灿

13:00-13:30  Examples of parasites and Drosophila immunity –邢丽敏

13:30- 讨论

本次journal club的组织形式为“文献鉴赏”，三位speakers分别选择各自感兴趣领域的文章，并从科学问题、故事完整性和证据充分性三个方面来评价文章，以期和各位探讨如何做出合格的研究、出色的研究。

此次选择的三个领域分别是“饥饿对果蝇本能行为的影响”，“神经肽的研究—以DH44为例”，“果蝇社交行为的研究”。

“饥饿对果蝇本能行为的影响”

1、主旨或者概念有价值，即使实验简单，也依旧可以是一篇足够发表的工作。以Differing effects of age and starvation on reproductive performance in Drosophila melanogaster (2019-Scientific Reports)  为例，文章立足于讨论“reproductive investment”，即生物在进行繁殖行为时，会以后代数量最大化为准则选择配偶及交配方式。本文回答问题的方式是通过将雌雄果蝇的年龄和营养状况两个参数双维度比较，但也仅仅是提供了行为学实验的结果。

除此以外，本次汇报没有提及的Spread of social information and dynamics of social transmission within Drosophila groups (2012-Current Biology) 和 Cultural flies: Conformist social learning in fruit flies predicts long-lasting mate-choice traditions (2018-Science) 两篇文章都属于这种类型，尤其第二篇。数据为主题服务，当尝试讨论的问题有足够的哲学高度（果蝇也存在文化），即使没有大量精密的实验数据，依旧是很精彩的研究。

2、新颖的概念毕竟有限，踏踏实实完成一个课题更重要。对于行为学/环路研究，一篇可以使我们毕业的文章(以AKH-FOXO pathway regulates starvation- induced sleep loss through remodeling of the small ventral lateral neuron dorsal projections-2020-PLOS Genetics为例)包含了以下内容：

1).明确、稳定的表型—starvation引起 sleep loss。且更细致的分析发现starvation引起fall asleep困难。

2).通过文献阅读找到candidate neurons-PDF neurons，并进行分子和行为学层面的实验验证。

3). 观察PDF neurons 发现starvation会导致PDF neurons 形态发生变化。

4). 这一表型和AKH有关。

5). AKH通过调控下游的胞内信号分子foxo引起PDF neurons形态改变和饥饿导致睡眠缺失的行为。

6). 排除发育阶段的影响。

整篇文章所涉及的实验都是常规实验，但因为思路清晰明确、实验结果有说服力、故事完整并且揭示出的现象也很有趣（在成虫阶段，饥饿16h就足以使神经元投射和形态发生变化），所以虽然也有一些小的无法解释的数据（这本就是生物学研究会存在的问题），但依旧是一篇佳作。

3、更高层次的文章需要更细致的环路研究和多级环路研究，以及研究不同行为之间神经环路的交互。

更细致的环路：对神经元更精确的标记方法，即标记到越少细胞越好。

多级环路：A neurons – B neurons – C neurons… behaviors.

其中，需要阐释清楚的问题包括各个神经元之间的信号传递方式，或神经元内部的信号传递方式，以及在技术层面需要功能性钙成像实验支撑。

调控不同行为的神经环路的交互：由于调控果蝇本能行为的神经环路在近几十年已经有了比较深厚的研究，所以如果不是更大规模更全面的研究，已经很难再出彩。且相比于仅仅讨论饥饿状态对果蝇本能行为的影响（internal states v.s. behaviors），将问题进一步扩展到进食行为和其它本能行为的行为抉择，会更有价值。

除此外，比较A neuronal mechanism controlling the choice between feeding and sexual behaviors in Drosophila (2021, Current Biology) 和 A nutrient-specific gut hormone arbitrates between courtship and feeding (2022, Nature) 两篇文章可以发现，两篇文章在最初想要解决的其实是同一个问题，即雄果蝇在面对食物和交配机会时会如何抉择。果蝇食物的成分主要可以分为两类，糖sugar和蛋白质protein，在确立表型之后，两篇研究分别向不同的方向发展。CB的文章讲了雄果蝇在面对sugar和雌蝇时的抉择，因为表型本身并不够明确，所以文章中用了大量的行为学实验来确立表型：即饥饿的雄果蝇会先进食，之后再进行求偶行为，且这样的行为抉择和糖的能量，饥饿的时间，以及求偶的内驱力都相关。之后用这样的选择范式，作者筛选到TyrR神经元，并确定了其和P1神经元的关联。整篇文章到此已比较完整，重要的问题也已经回答。同时观另外一篇Nature上的文章，作者在最初确立表型时发现protein食物在其中的作用。果蝇在面对食物和交配对象时会优先进食，但是进食protein后雄蝇会展现出明显增强的求偶行为，并且进一步验证发现这是一种消化后行为。由此作者聚焦于穿梭于脑肠轴的神经肽Dh31。此外，作者也用创新且有力的实验阐明了Dh31的作用方式（血淋巴循环circulation），鉴定出了在脑中响应Dh31，通过释放Crz来促进雄蝇求偶的神经元和在脑中响应Dh31，通过释放AstC来抑制雄蝇进食的神经元。第二篇文章除了实验手段和方法高级以外，最初的表型也为更明确。另外脑肠肽也是目前的研究热点，即内在代谢状态/代谢物质如何对中枢神经系统进行调控。一个课题也许从最初的走向就可以看出它最终的高度，所以如何合理的分配研究资源和精力从而得到最大化的结果，也需要我们做出抉择。

“神经肽的研究—以DH44为例”

通过文献可以看出针对神经肽的研究，最关键需要回答的问题是该神经肽的生理意义，即在自然状态下，神经肽响应于什么样的信号。此外，研究多种神经肽协同作用的工作比研究单个神经肽的作用更受好评。并且由于神经肽特殊的释放方式和其蛋白质本质，也会有其特殊的研究方式。

–by 孙梦实

“果蝇社交行为的研究”

我们生活在一个生物与生物之间紧密相连的世界，对于许多群居物种来说，社交行为是他们赖以生存的存活方式，比如蜜蜂采蜜，蚂蚁筑巢，大雁南飞，这些群体活动都需要密切的社交互动和等级鲜明的有序组织；然而长久以来，果蝇一直被认为是独居个体，不具有群体活动的性质；直到1961年，第一次观察到果蝇有组织的空间定位，这一发现归功于Sexton和Stalker，他们注意到雌性果蝇群用前肢相互接触，以保持高群体密度下的均匀间距，而不是随着群体密度的增大无限期压缩社交距离。然而这一发现以后并没有引起研究者们关于果蝇社交行为的广泛兴趣，在这之后很长一段时间关于果蝇社交分析的文章寥寥无几。直到近50年后，随着经典算法的迭代更新，机器学习的横空出世，高通量自动化分析软件的开发水到渠成，越来越多的实验室关注到了果蝇群体的社交互动现象，果蝇社交网络分析方向的研究百花齐放。

在进入二十一世纪的二十多年间，我们可以将果蝇社交网络分析领域的研究大致分为三个阶段，从刚刚开始兴起研究的二十一世纪初，到高通量自动化分析软件出现的2009年前后，再到二十一世纪二十年代的当下，根据这三个时间段，带着对实验工具实验方法的更新，我们对这一领域的文章进行一些评鉴。

二十一世纪初，研究者们常常将社交环境作为一种饲养条件，或者将isolation作为一种慢性压力，研究这两种环境对果蝇行为和发育方面的影响。以两篇高分文章为例，2006年发表于Science上的《waking experience affects sleep need in Drosophila》，将饲养环境分为单独饲养，和社交丰富的饲养环境，以社交丰富导致果蝇白天睡眠为一个明确的筛选表型，筛到了介导社交调节睡眠的神经通路与多巴胺能通路相关，继而以相同的行为范式筛到了相关的十七个基因，这些基因均参与长期学习记忆的调节。2008年发表于PNAS的文章《social interaction mediated lifespan extension of Drosophila Cu/Zn superoxide dismutase mutants》也是遵循着类似的思路，首先研究者们发现将铜锌歧化酶突变体果蝇与野生型果蝇共同饲养时可以大大延长突变体果蝇的寿命，他们对此现象进行了研究，发现只要与年轻的果蝇一同饲养，就能使突变体果蝇寿命延长；接着他们又从三个角度研究了果蝇的应激能力，以及攀爬速度，发现突变体果蝇变健康了，应激能力也得到了提升。然后通过寿命延长的表型他们筛选到了这与果蝇的视觉相关。但寿命延长的表型仅限于铜锌歧化酶突变体，其他突变体或野生型果蝇与年轻果蝇共同饲养并不能延长其寿命。可能这也与铜锌歧化酶参与调控了氧化应激介导的衰老通路相关，对社交信号较为敏感，铜锌歧化酶广泛参与了许多年龄依赖性神经退行性疾病的发病机制，包括帕金森病、亨廷顿病和阿尔茨海默病以及肌萎缩性侧索硬化症

时间来到2009年，这一年，多个实验室开发了高通量自动化分析软件，在多只果蝇同时运动的视频中对单只进行定位追踪轨迹分析，并定义了多种行为的界定参数，比如后退、横行、打斗、求偶、追逐、静止、急转等等。随着软件的优化，在这之后，单纯分析果蝇社交距离，依次筛出与哪个感觉器官的输入相关，已经无法发高分文章，比如2012年发表于Genes Brain Behavior上的《a simple assay to study social behavior in Drosophila: measurement of social space within a group》，这一阶段学术界偏爱对果蝇的社交行为进行大规模多维度分析的研究，比如同年发表于PNAS上的《social structures depend on innate determinants and chemosensory processing in Drosophila》通过多维度分析，筛选出果蝇社交网络的建立与果蝇种属有关，且和机械感知系统密切相关，但也仅仅筛选到这一个感觉系统，并没有具体到基因型或环路层面研究。而其实，同时间段发表的高分文章，已经可以通过离体钙成像在体钙成像研究神经元的功能性上下游关系，比如2013年发表于Neuron的《a pair of interneurons influences the choice between feeding and locomotion in Drosophila》。2015年发表于Nature的《Mechanosensory interactions drive collective behavior in Drosophila》则是通过果蝇的聚集逃避二氧化碳的行为作为研究范式筛选出果蝇的聚集逃避行为通过触觉NOMPC传递信号，单只果蝇在面对二氧化碳时虽会提升运动速率但不会躲避。文章通过批量筛选和解剖免疫染色第一次在果蝇社交领域的文章中定位到了具体的神经元R55B01-Gal4，并通过在神经元中表达Channelrhodopsin-2，通过蓝光激活的方式激活神经元，在实验技术和环路层面有了比较完善的研究。

2018年以后，果蝇社交方面的文章，既需要有明确的行为学筛选表型，也需要在环路层面有比较完整的研究，在实验技术和实验设计方面也有所要求。比如朱岩老师关于social attraction的研究，通过在半边板子上粘上不能自由移动的果蝇来吸引自由移动的果蝇建立了明确的筛选范式，且筛到了蘑菇体神经元介导果蝇之间的相互吸引，通过五羟色胺往下传递社交信息，并具体到5HT1-B受体发挥作用。2021年发表于Nature的《Chronic social isolation signals starvation and reduces sleep in Drosophila》探讨了长期单只饲养的果蝇睡眠减少且进食增加的行为，通过批量筛选确定了一株NPF子集神经元P2-gal4,同时也在文章中进行了本底水平的钙信号研究，在神经元活性方面进行了实验设计。另外也有一些对果蝇社交网络的其他层面进行分析的研究得到了业界肯定，比如对果蝇聚集性、向心性、社交网络冗余性、有效性等等的分析，这些研究都依赖于算法先进的自动化软件，当然这些研究更注重于对果蝇深交网络本身的分析，对调控社交网络的神经环路层面研究还比较有限，往往局限于筛选感觉系统输入的层面。

总结而言，随着技术和软件的更新，我们对一个领域相关课题的研究的深入程度也在逐步加深；学术界对于好文章的要求也在一步步提高，所以站在巨人的肩膀上，也需要我们看得更远，做得更扎实，让自己的研究对于人类了解这个世界发挥一点点作用。

–by 赵环

ps：本次文献鉴赏会的所有观点仅代表个人，欢迎大家一起讨论！

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2022-11-24 Journal Club ppt_compressed

2022年11月24日，我们将进行2022年度第九次Journal Club，组织者为孙梦实，参与者有蒋昕钰、赵环。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：Appreciation and analysis of splendid academic articles.

报告内容：

12：00-12：30 How starvation influences the innate behaviors of Drosophila ——孙梦实

12：30-13：00 Appreciation and analysis of Drosophila neuropeptide DH44 related studies ——蒋昕钰

13：00-13：30 Social network analysis in Drosophila ——赵环

13：30- 讨论

在广阔的地球上，每时每刻都在发生着灾难。在面临这些威胁生命的自然灾害和战争的时候，我们本能的选择逃命，否则就会失去宝贵的生命。遇到危险就躲避是人之常情，对于动物亦是如此。在野外的小动物们会警惕于周围的风吹草动，并会选择合适的时机和路线躲藏起来，让自己处于相对安全的环境；当它们面临捕食者的追捕时，要么灵活躲避要么垂死挣扎……这些困境下的求生是一种本能行为，也是个体生存的保证。

1、果蝇的逃避行为

我们最熟悉的模式生物果蝇，也有多种逃避行为的表现形式。对于成虫来说，它们可以通过弹跳或扑扇翅膀逃离危险境地，但果蝇幼虫缺少那些发达的特化器官，这不仅导致它们对于外界环境的感知比较迟钝，在行为上似乎也很软弱。幼虫在遇到某些令其不适的轻微刺激时，有时会回缩头部躲避刺激（hunch），还可能会通过扭头（turning）改变其运动方向以选择更适宜的生存环境；当遇到强烈的伤害性刺激时，它们则会弯曲自己的身体（bending），同时通过肌肉的规律性收缩，以一种滚动的方式快速离开该地（rolling），实现快速逃生的目的。

2、果蝇幼虫的外周神经感觉神经元简介

果蝇幼虫虽然简单，但也会通过外周神经系统感知周围的环境。有一类存在于表皮和肌肉组织之间的树突状外周感觉神经元是参与这种感知的重要部分。根据复杂程度的不同，通常将它们划分为四大类（Class I、II、III、IV）。Class I神经元被认为是本体感知神经元，对于感知肌肉的状态，参与运动的协调进行起到重要作用。其他三类神经元，则负责感知外界的光、热、机械刺激等。在这之中，Class IV神经元（C4 da），具有最复杂的形态，能够感知多种如高温、短波光的针刺等的伤害性刺激，被认为是一类多模态的伤害性感知神经元。一般认为，对于较简单的躲避环路，C4 da感知伤害性刺激后，将信号传递给VNC中的中间神经元，随后通过下游的运动神经元输出行为（C4da-mCSI-SNa pathway）。而在较复杂的躲避环路，如同时存在多种类型的伤害或非伤害性刺激，VNC中的中间神经元还会将信息上行传递到中央脑区，再完成复杂的整合处理后，决策输出躲避行为（C4da-Basins-to-Goro pathway）。

3、果蝇幼虫对逆境的躲避

在过去的研究中，一直认为果蝇幼虫的感光也是由位于头部的类似眼睛的结构，Bolwig’s organ（BO）介导的。BO中表达视紫红质的感光细胞在感知到环境中光的不对称分布后，以一种趋激性（tropotaxis）激活的机制，即在靠近强光的一侧感觉神经元激活程度高于弱光一侧，再通过神经元镜像支配的方式，使远离强光测的肌肉快速收缩，果蝇幼虫就实现了将头扭向弱光测，完成对强光环境的躲避。但后来有研究发现，BO的消融依旧无法剥夺果蝇非均匀光场的选择。2010年，在C4 da中表达的一类非经典的光感知受体Gr28b被发现，它参与介导幼虫对于强紫外和蓝光的躲避。

果蝇对于伤害性温度的感知，主要是通过一类“痛觉”感知基因，它们在C4 da上编码一些温控的离子通道，如painless、dTrpA1、subdued。事实上，这些通道的激活并不等同于痛觉感知过程（painless、piezo、ppk/ppk26），它们控制着C4 da的活性，是开启幼虫躲避高温的开关。

4、多感官信息整合

在复杂的自然环境中，果蝇幼虫会同时处理它感知到的多种不同的信息，通过信息整合输出行为。除了C4 da感知的伤害性热刺激以外，C2、C3 da感知机械刺激也会通过神经肽Dlip7、sNPF等反馈给C4 da，提高C4 da对热伤害性刺激的敏感度；在遭遇天敌寄生蜂时，寄生蜂发出的声音以及对幼虫的触碰也会被幼虫感知，在中央脑区经过整合后，使幼虫躲避行为的强度增强；相反，环境温度的降低则会通过GABA能神经元抑制果蝇对光照的躲避，这种机制可能帮助果蝇幼虫在野外保持适当的体温。

目前多数研究都集中于探究高温和机械性伤害刺激对诱发幼虫逃避行为的作用，而且已经揭示了许多较清晰的环路。但关于对某些类型的刺激（如冷觉感知）以及中央脑中多种刺激的整合机制并不清楚。不同类型的刺激是通过相互影响感觉神经元的活性调节幼虫对刺激的响应，还是通过某一个高级脑区进一步加工处理这些信息？这个问题值得继续探究。希望本次的分享能对大家有所帮助。

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2022-10-27 Journal club PPT

by 马铭泽

2022年10月27日，我们将进行2022年度第八次Journal Club，组织者为马铭泽，参与者有纪小小、陈洁。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：A brief introduction of escape behavior of Drosophila larvae

报告内容：

12：00-12：30  The peripheral sensory neurons and escape behavior of Drosophila larvae——马铭泽

12：30-13：00  Darkening and high temperature avoidance of Drosophila larvae——纪小小

13：00-13：30  Integrated output of multiple sensory stimuli—taking avoidance from predators as an example——陈洁

13：30- 讨论

基因驱动——一场席卷整个物种的风暴

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2022-09-29 Journal club PPT

by 蒋昕钰

2022年9月29日，我们将进行2022年度第七次Journal Club，组织者为蒋昕钰，参与者有彭琼琳、姜思梅。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：Gene Drive Technologies: Beyond Mendelian Genetics

报告内容：

12:00-12:30 Introduction to gene drive: history and principle —蒋昕钰

12:30-13:00 Application of gene drive system in mosquitoes —姜思梅

13:00-13:30 Application of gene drive system in rodents —彭琼琳

13:30- 讨论

果蝇中的细胞凋亡及其在神经系统发育构建中的作用

生物体中细胞增殖和细胞死亡是两个相对的过程，这两个过程通过精细的调控处于动态平衡当中，来维持生物体发育和组织稳态。细胞死亡依据启动或执行它所需的分子机制可以分为多种不同的类型，包括细胞凋亡、自噬、坏死和非自主性细胞死亡。细胞凋亡一般是指机体细胞在发育过程中或某些因素作用下通过细胞内基因及其产物的调控而发生的一种程序性细胞死亡过程，其特点是凋亡途径中各事件的发生是有时序性的。

相对早期的对细胞凋亡的研究最著名的例子就是蝌蚪在发育成青蛙的过程中尾巴的消失以及高等脊椎动物的趾的形成，发育过程中细胞凋亡通过相关机制消除趾间结构。因此，完整的细胞死亡途经是胚胎正常发育和维持组织稳态所必需的。

1. 果蝇中细胞凋亡在发育和组织稳态中的相关机制

目前，有关于果蝇细胞凋亡通路或者说细胞凋亡途径中关键因子的识别已经有了比较充分的研究。凋亡的起始由多个上游通路调控着三种促凋亡蛋白的表达和激活，这三种促凋亡蛋白在果蝇细胞凋亡的调控中起着关键作用，分别是Reaper、Hid和Grim，统称为RHG蛋白。编码这三种蛋白的基因位于一个小的基因组区域H99，由于这三个基因在基因组上是串联排列的，因此它们可以通过H99的一次缺失突变来去除。研究表明，在H99缺失突变体中，这三个基因的缺失会阻止发育性细胞的凋亡。细胞凋亡的实施或者说完成主要依赖于半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶Caspase，一旦被激活，这些Caspase会催化活化一系列反应来消灭细胞。果蝇中细胞凋亡的调控主要涉及两个方面：一方面，凋亡抑制因子DIAP1作为一个关键的凋亡控制点，通过与上游RHG蛋白以及下游Caspase相作用来调控细胞凋亡。另一方面是BCL-2家族蛋白，包括一些促凋亡蛋白和抗凋亡蛋白，它们已被证明相互关联发挥作用，从而控制细胞色素c等物质从线粒体的释放，调控线粒体凋亡通路。简单总结一下果蝇中细胞凋亡通路：首先由DNA损伤、microRNA等外源性信号或内源性信号起始促凋亡蛋白RHG的表达，RHG蛋白通过调控降解凋亡抑制因子DIAP1来激活Caspase，从而引起靶细胞凋亡，另外，BCL-2家族蛋白通过控制细胞色素c等物质从线粒体的释放来调控细胞凋亡。细胞凋亡的这种精细调控在线虫、果蝇和哺乳动物中都是相对保守的。

细胞凋亡在发育和组织稳态中主要的功能体现有哪些呢？有关于凋亡的功能，从线虫、果蝇和哺乳动物可以总结出以下几点：（1）首先是通过适当的结构修饰来实现正常的形态发生，一个例子就是通过细胞凋亡消除趾间结构；（2）第二个功能是某些组织结构的清除。在果蝇的变态过程中，大部分的幼虫结果会被破坏，比如唾液腺SG、某些肌肉组织和肠道组织，而成蝇中一些新的结构由成虫盘发育而来。果蝇幼虫某些结构的消除还涉及到除了细胞凋亡以外的细胞死亡途径比如坏死和自噬；（3）像神经系统在发育过程中，细胞凋亡可以通过相关机制调节细胞数量，以获得适当的神经元数量；（4）除了在发育阶段，在成年阶段，一个例子就是哺乳动物的免疫系统中，程序性细胞死亡可以清除异常的或潜在危险的细胞。有关于果蝇这种模式生物中细胞凋亡在其发育中的作用，主要有以下几个典型的例子：（1）通过凋亡的区域激活来调控节段的形态发生。在果蝇中，细胞凋亡在关节的形成和节段的形态发生中起着重要作用，尤其是头部，这些都需要RHG促凋亡蛋白所介导的细胞凋亡。（2）另外，组织旋转也需要细胞凋亡，从而驱动果蝇雄性生殖器的环状形态发生，这里细胞凋亡可能不是提供旋转的直接动力，而是有助于邻近组织的适当装配，这也体现了组织发育调控的精确性。（3）通常，程序性细胞死亡可能由某一种死亡程序来介导的，而果蝇幼虫唾液腺在变态期的退化或者清除是一个很好的例子来说明可以由几种不同的细胞死亡程序来协同清除细胞。

有关于fruitless和doublesex与细胞凋亡的关系，主要的研究是性别特异性细胞凋亡对中枢神经系统性别二态性神经元形成的调控。具体来说，Fru^M的表达抑制了雄性大脑中的mAL神经元的细胞凋亡，而Dsx^F促进了雌性大脑中的P1神经元和胸神经节中的TN1神经元细胞凋亡。另外，有研究表明，Hox基因Abdominal-B利用Dsx^F作为辅助因子促进果蝇VNC中神经干细胞的凋亡。

2. 细胞凋亡在神经元发育中的作用

果蝇神经发生始于胚胎发生的早期阶段，具有神经源性与非神经源性区域，由原神经基因的早期活动和 Notch信号决定。在每组等效的神经源性细胞中，一个细胞获得称为神经母细胞的神经元祖细胞命运。随后以不对称分裂的方式开始第一波神经发生，产生所有的幼虫神经元及10%的成虫神经元；它们在胚胎发育晚期变得静止，在幼虫中重新进入细胞周期开始第二波神经发生。幼虫 NB 在每次细胞分裂后重新生长，因此可以更频繁地分裂。在蛹阶段，NBs 消失，这结束了第二波神经发生。不同的NB在不同的时间点退出细胞周期。

果蝇的神经发生受到时间上和空间上的精准调控，在胚胎中，每个节段的特性取决于 Hox 基因活性，果蝇胚胎发育的节段特异性由在神经上皮、成神经细胞、神经元和神经胶质中起作用的 Hox 基因的表达定义，以节段特异性方式控制细胞规格和增殖/凋亡，进而决定头胸腹尾的分化。胚胎成神经细胞（NBs）表达一系列神经节母细胞（GMC）相关的转录因子。

果蝇从胚胎发育为成虫经历完全变态，这意味着他们需要截然不同的两套神经系统来行使功能，因此，果蝇神经系统进行多方面的重塑。在果蝇胚胎发育过程中，第11阶段副神经索开始逐渐脱离腹侧表皮并发生凝聚现象，并通过染色发现细胞凋亡标志物，通过caspase抗体染色记录细胞死亡数，细胞死亡主要集中在13-14阶段。在果蝇幼虫 VNC 中，一组神经元表达 Capa 神经肽，被命名为Va神经元。在幼虫中，这些神经元仅存在于位于神经索腹面的三个腹节（A2-A4）中。而在胚胎16阶段对capa染色后发现，该神经元并不仅限于A2-A4段。在Hox基因家族突变体中，只有abdb突变才可以有效防止前端va神经元的凋亡，说明ABDB对前端va神经元的促凋亡作用。dMP2 神经元是 VNC 中最先分化的神经元之一，可在幼虫期间“转分化”成表达 ilp-7 的神经内分泌神经元。在第 16 阶段，每个段中都存在一对 dMP2 神经元。在第 17 阶段，大多数前部 dMP2 经历细胞凋亡，只在A6,A7,A8存在完整的dMP2细胞。总的来说，不同类型的神经元通过Hox基因（如Abd-B）的表达差异来调控不同节段的凋亡与否，从而在空间上调控果蝇不同节段的分化。另外，在果蝇蛹期，蜕皮激素信号在神经系统发育中起重要作用，它是在蛹期促进细胞凋亡的重要信号。

3. 胶质细胞与程序性细胞死亡

哺乳动物神经胶质细胞可以分为放射状神经胶质细胞、星形胶质细胞、少突胶质细胞和小胶质细胞。放射状神经胶质细胞是中枢神经系统祖细胞，直接或间接通过中间祖细胞产生大部分的神经元和神经胶质细胞。星形胶质细胞是一种星形细胞，可能与所有类型的中枢神经系统细胞相互作用，表现出一系列帮助驱动神经系统发育和塑造其活动的功能。少突胶质细胞祖细胞是中枢神经系统中增殖能力最强的细胞，在整个生命过程中产生有髓鞘的少突胶质细胞，并可能在回路的形成和功能中发挥其他尚未确定的作用。成熟的少突胶质细胞产生髓鞘，加速神经冲动传导并为轴突提供代谢支持。在果蝇神经胶质中，表面神经胶质是包围幼虫和成蝇中枢神经系统的最外层保护层，包括两种亚型:神经周围神经胶质和神经下神经胶质(SPG)，这些神经胶质细胞只起到血脑屏障的作用，阻止超过一定大小的有害分子进入中枢神经系统。皮质胶质细胞，在结构上与哺乳动物的星形胶质细胞相似，介导细胞体和气管之间的气体交换，并提供营养支持。神经纤维网胶质分为两类，一种是包裹突触神经胶质的胶质细胞和星形细胞样胶质。外周神经胶质则分为三种类型：外周胶质，亚外周胶质和包裹胶质。有关于胶质细胞的功能，这里介绍了（1）神经胶质细胞胰岛素信号将氨基酸/TOR依赖性FDS（脂肪体源性信号）与神经母细胞中的InR/PI3K/TOR信号连接起来。（2）椎板lamina是视神经叶中第一个接收光感受器输入的神经节。视网膜的800个单位眼(小眼)中，每只眼在视叶中都有一个对应的lamina单位(卡)，由5个lamina神经元类型和多个胶质亚型组成。在这些回路中填充正确数量的细胞和细胞类型，并在空间上组织它们，要求光感受器、层神经元和胶质细胞的发育精确协调。通过胶质细胞的信号传递来实现光感受器和薄层细胞之间的通信需要。

果蝇表面胶质细胞具有吞噬神经细胞的功能。对胶质细胞的研究发现，机体神经损伤会触发神经胶质细胞的快速反应，包括胶质细胞迁移和对受损神经元的吞噬清除。果蝇胚胎中枢神经系统中的细胞死亡主要是通过细胞凋亡进行的，凋亡细胞不会在中枢神经系统中积聚，而是被吞噬细胞不断清除和吞噬。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2022-08-25 Journal club PPT

by 陈江涛

2022年8月25日，我们将进行2022年度第六次Journal Club，组织者为陈江涛，参与者有苏祥彬、李小龙。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：Apoptosis and its functions in the nervous system of Drosophila

报告内容：

12:00-12:30  Overview of apoptosis in Drosophila –陈江涛

12:30-13:00  Apoptosis and neural development –苏祥彬

13:00-13:30  Glial functions and apoptosis –李小龙

13:30- 讨论

夏日杀手 — 浅谈蚊子的宿主追寻行为

蚊（mosquito），鼎鼎大名的“四害”之一。属于双翅目（Diptera）、蚊科（Culicidae），又称“蚊子”，是最重要的医学昆虫类群。它们的生活与人类密不可分，人类是蚊子的重要宿主，雌性蚊子通过叮咬吸食宿主的血液来繁殖后代。蚊分布很广，种类很多，迄今为止全世界已记录蚊虫共3亚科（巨蚊亚科、按蚊亚科、库蚊亚科），35属，3600多种和亚种，其中按蚊、库蚊、伊蚊3个属的蚊种超过半数。我国主要的蚊种有中华按蚊（Anopheles sinensis）库蚊（Culex）埃及伊蚊（Aedes aegypti）和亚洲虎蚊（Aedes albopictus）。本次journal club 我们从三个方面系统的探讨了蚊子的追寻宿主行为。

1. 蚊子的研究概述

蚊子，是一种具有刺吸式口器的纤小飞虫。雌蚊和雄蚊在外观上和习性上具有明显的性别二态性，雄蚊触角呈丝状，触角毛一般比雌蚊浓密。通常羽化1-2天完成性成熟的雌蚊和雄蚊完成交配后，雌蚊会寻找宿主吸食血液，而雄蚊则吸食植物的汁液。蚊子的平均寿命不长，雌性为3 – 100天，雄性为10 – 20天。

我们在被蚊子叮咬后为什么会痒呢？这是由于蚊子的唾液中有一种具有舒张血管和抗凝血作用的物质，它的作用是使血液更容易汇流到被叮咬处。被蚊子叮咬后，被叮咬者的皮肤常出现起包和发痒症状。几乎每个人都有被蚊子“咬”的不愉快事，事实上应该说被蚊子“刺”到了。蚊子无法张口，所以不会在皮肤上咬一口，它其实是用6枝针状的构造刺进人的皮肤，这些短针就是蚊子摄食用口器的中心。这些短针吸人血液的功用就像抽血用的针一样；蚊子还会放出含有抗凝血剂的唾液来防止血液凝结，这样它就能够安稳地饱餐一顿。当蚊子吃饱喝足、飘然离去时，留下的就是一个痒痒的肿包。但是，痒的感觉并不是因为短针刺入或唾液里的化学物质而引起的。我们会觉得痒，是因为体内的免疫系统在这时会释出一种称为组织胺的蛋白质，用以对抗外来物质，而这个免疫反应引发了叮咬部位的过敏反应。当血液流向叮咬处以加速组织复原时，组织胺会造成叮咬处周围组织的肿胀，此种过敏反应的强度因人而异，有的人被蚊子咬后的过敏反应比较严重。

每只雌蚊子一生产卵总数约为2000个，它们一般把卵子产于水面，两天后孵化成为水生的幼虫—“孑孓”。孑孓以水中的藻类为食，它们经历4次脱皮后才成长为蛹，漂浮在水面上，最终蛹表皮破裂，幼蚊诞生。蚊子的生活史包括卵、幼虫、蛹、成虫4部分，一般卵1 – 2天，幼虫期5 – 7天，蛹2 – 3天，成虫羽化至吸血产卵3 – 7天，整个世代1 – 2周左右。

除了叮咬给人们带来难忍的痒之外，蚊子更主要的危害是传播疾病。据研究，蚊子传播的疾病达80多种之多。在地球上，再没有哪种动物比蚊子对人类有更大的危害。其中主要的传播疾病有登革热、疟疾、黄热病、丝虫病、寨卡病毒等。1900年，科学家们意识到了这一问题的严重性，因此决定要把蚊虫防治作为一个专门的领域进行系统的研究。这其中最具代表性的人物是来自美国新泽西州的昆虫学家John B. Smith。他通过调研发现了当地的主要蚊种，系统的研究了蚊子的生活习性，迁移习性和叮咬行为。制定出了一系列规范的蚊种消灭准则，为当地的蚊虫防治做出了重要贡献。蚊子研究的新纪元真正到来的时代是2002年，这一年，科学家们首次公布了冈比亚按蚊的全基因组序列，这为之后的蚊子研究带来了质的飞跃。

目前来看，蚊子的研究主要集中在三个方向，第一个也是最为重要的方向是蚊媒疾病的防控。目前的主要思路是针对蚊子载体本身，目的是减少蚊子种群数量从而减少传播，另一种则是通过基因工程改造蚊子，是其对病原体产生抗性，从而减少疾病的传播。第一种方案目前已有的研究是针对蚊子的dsx (doublesex)基因。通过Crispr-Cas9的手段定点将蚊子磁性特异的DSXF转录本破坏，从而产生雄性可育和雌性不育的后代，这样的结果是蚊子的种群数量会逐步减少。来自约翰霍普金斯大学Jacobs教授实验室的王四宝研究员给出了另外一种思路，他们发现了一种蚊子的肠道微生物在蚊子每次吸血后都会得到巨量扩增并且可以在蚊子的子一代，子二代甚至是子三代中传播，于是他们通过基因工程的手段改造了这种肠道菌，是其变成一种可以分泌抗疟疾肽的工程菌，将这样的工程菌植入蚊子体内后，可以有效的抑制疟原虫在蚊子体内的繁殖扩增，从而达到防治疟疾的作用。第二个研究方向是蚊子的宿主追寻行为。这部分研究主要集中在对于蚊子各种感知觉的研究，包括视觉，嗅觉和味觉等，以及宿主的发出的各种信号（如CO₂，热量，体表气味等）是如何被蚊子感知的。第三个方向则是蚊子其它行为的研究，如求偶行为，睡眠行为等，当然这部分研究往往最终的落脚点还是在于控制蚊子的数量和疾病的防治。与经典模式动物果蝇不同的是，蚊子的求偶行为过程中雄蚊会成群聚集形成一个交配群，这种现象被称为male mosquito swarming。雌蚊发现雄蚊群后会飞入其中与雄蚊交配，交配完成后飞出雄蚊群。Wang等人2021年的研究报道发现，傍晚时持续光照和不适宜的环境温度都会影响按蚊的婚飞和交配活动。进一步研究发现， 光照和温度对按蚊婚飞和交配的影响是通过调控生物钟基因per (period)和tim (timeless)的表达来实现的，外界光信号和内源生物钟协同调控信息素合成基因desat1的节律性表达，来动态控制按蚊性信息素的合成量，从而促进婚飞时雄蚊的求偶和交配。从而揭示了内源生物钟通过整合外源光照和温度信号来协同调控按蚊在夏季黄昏时进行婚飞和交配的分子机制。

2. 蚊子是如何寻找定位宿主的？

人类作为蚊子的主要宿主，为蚊子的生存提供了重要的营养来源。无论我们走到哪里，都是蚊子的自助餐厅。那么这些夏日的嗡嗡杀手是如何发现并准确找到我们的呢？研究人员发现，CO₂对于蚊子定位宿主具有至关重要的作用，当给予一只蚊子CO₂刺激时，其运动速度会得到显著的增加，变得极为活跃。蚊子对于CO₂的感知是通过其触角上的感觉受体Gr3进行的。那么是否我们将蚊子的Gr3受体突变之后，蚊子就无法感知CO₂，从而就不会叮咬宿主了呢？事实并非如此，研究人员发现即使将蚊子Gr3受体突变，蚊子依然可以找到宿主，这就说明蚊子的宿主追寻行为并非是依赖单一因素的。进一步研究发现，在37摄氏度条件下，CO₂对于蚊子追寻宿主有着很大的促进作用，此外人类体表的气味也会促进蚊子的宿主追寻行为。因此蚊子的宿主追寻行为是通过对多重因素综合感知来进行的，任意破坏其中一个因素的感知通路不会让蚊子失去追寻宿主的能力。除了以上三种因素的影响，视觉信息对于蚊子追寻宿主也是关键因素之一，研究表明，蚊子更加倾向于穿红橙等暖色调衣服的人。综合来看，蚊子需要通过CO₂气味信息来感知远距离的宿主，当其靠近宿主后，热量，体表气味以及颜色则会帮助其准确挑选最合适的宿主进行叮咬。从这些研究结果来看，我们要如何减少自己被蚊子叮咬的机率呢？首先是CO₂，这与我们每个人的代谢水平是相关的，我们不可避免的都要产生CO₂，而且我们身旁的人也会产生，因此该因素是很难避免的。其次，我们要针对后热量和气味因素进行应对。通常我们在剧烈运动后会更加容易被叮咬，这是因为运动后我们会散发出比周围人更大的热量和体表气味。这时及时的洗澡降温和去除体表气味是十分有必要的，喷涂花露水遮盖自身气味也是一个十分有效的办法。最后，日常生活中进行暗色调的穿搭也会在一定程度上减少被叮咬的机率。

3. 蚊子是否更加偏好人类宿主？

其实，并不是所有种类的蚊子都喜欢咬人。自然界3500多种蚊子中的大多数没有固定的偏好，他们遇到什么就咬什么。大概只有10种蚊子是专门咬人的，但是正是这10种蚊子传播了人类大多数的疾病。很神奇的是，研究人员发现这些专门咬人的蚊子能够准确地区分人和动物，那它们是怎么做到的呢？通过气味吗？是的。研究发现，当雌性埃及伊蚊闻到人类气味时，它们脑内一种被称为“人类嗅小球（human glomerulus）”的独特通路会被激活。这些嗅小球对癸醛和十一醛特别敏感，而这两种分子是人体皮脂的挥发性成分。

埃及伊蚊比其他动物更喜欢人类的气味。未参与该项研究的瑞典隆德大学生物学家Marcus表示，它们具有区分人类宿主和动物宿主的能力，但还不清楚其中涉及的气味分子和神经通路。作者鉴定出了一个识别人体挥发物的特定神经回路，而当你向蚊子展示其他动物的气味时，这个神经回路不会被激活。人类气味与动物相比究竟有哪些不同，能够让埃及伊蚊对我们更感兴趣？研究人员通过一个特殊装置收集了人和不同动物的体表气味进行气象色谱分析。结果表明，人和动物的气味都很复杂，里面有差不多上百种化学分子，而且并没有哪种化学分子是人特有的，也就是说，人的气味里含有的化学分子，动物的气味里面也有，只是具体的含量不一样。这就类似于两个人做菜使用相同的调料，但是最后做出来的菜味道却不一样——这是因为他们使用调料的比例不一样。具体来说，人的气味里面有几种分子特别多，比如说癸醛和甲基庚烯酮这两种分子。

随后，研究人员使用一种新方法将基因编辑后的蚊子暴露在人类、大鼠和绵羊的气味中，按照实验设计，几天没有洗澡的人类志愿者将躺在聚四氟乙烯袋子里，研究者会收集袋子里的空气，并通过几根微小的管道吹向蚊子。而动物的对比实验则是通过将活体动物放在玻璃室中，或者将毛发、毛皮和羊毛放入瓶子中，通过瓶子将空气泵向蚊子。通过记录蚊子大脑的钙信号观测蚊子对于每种气味的反应。令人惊讶的是，不论是蚊子闻到人类，还是大鼠或绵羊的气味时，它们的嗅觉神经元成像都展示出了一定的图景。面对非人类动物时，有两个嗅小球被激活。面对人类气味时，一个人类特异性嗅小球和一个识别其他动物的嗅小球被激活。该项研究还做出了一个惊人的发现，即使气味是复杂的混合物，埃及伊蚊也可以使用简单的神经代码来区分它们的首选宿主（人类）和其他动物。

接下来，研究人员深入研究以确定蚊子的人类特异性嗅小球对哪些化合物有反应。一组突出的化合物是醛类，它们不仅在人类和动物的气味中含量很高，在植物和土壤散发的气味中也很丰富。实验结果表明，长链碳醛类癸醛和十一醛在生理浓度下可强烈激活蚊子的人类特异性嗅小球，而针对人类和动物都有反应的嗅小球则对一系列化合物均有反应。研究人员还发现，闻到癸醛（可激活人类特异性嗅小球）和1-己醇（可激活人类和动物嗅小球）混合物的蚊子会逆风飞行以寻找源头。这个发现不仅很有趣，也很有用，因为这个混合物只有两种化学分子，相比于上百种分子来说，它可以很好地被制造和储存，这样就很方便应用于捕蚊器中。此外，研究人员还发现在“博爱”的蚊子里面有的嗅小球，对人“专一”的蚊子里面也有，而且都在相似的位置上，但是这些嗅小球的大小发生了改变。嗅小球越大意味着它探测化学分子的灵敏度越高，速度越快。他们发现有6个嗅小球在从“博爱”到“专一”的进化过程中变大了，6个嗅小球变小了。之前的研究里，埃及伊蚊的大脑中有一个脑区对人的气味格外敏感，在专门咬人的蚊子里面，这个脑区应该是这六个红色的嗅小球当中的一个，结果表明这个对人敏感的嗅小球在专门咬人的蚊子里体积果然增大了，也就意味着它探测人的气味更敏感，速度更快。

最后，蚊子研究的兴起仅仅才20年，目前对于已有的研究还远不足以让我们了解蚊子的全部，我们在此只是根据几篇代表性的研究泛泛而谈了蚊子的宿主追寻行为，对于想要深入研究的同学来说，还需要更加仔细全面的研读前人的工作。灭蚊事业任重道远，吾辈还需砥砺前行。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2022-06-30 Journal club PPT-2

by 高灿

2022年6月30日，我们将进行2022年度第五次Journal Club，组织者为高灿，参与者有张豫宁、邢丽敏。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：“Summer Killer”: Briefly talking about the host-seeking behavior of mosquitoes

报告内容：

12:00-12:30 Overview of research on mosquitoes——高灿

12:30-13:00 How mosquitoes find us? (sensation & pathway)——张豫宁

13:00-13:30 Why mosquitos like us? (preference)——邢丽敏

13:30- 讨论

社交环境对果蝇本能行为的影响探究

我们生活在一个生物之间息息相关的地球村：许多动物通过社交互助以获得更为丰富的生存资源；也正是出于对生存资源的保护和占领，另一些动物选择独居来自给自足，仅仅在交配繁殖期间进行一些社交活动。社交环境对人类健康的影响也是人们一直以来所关心的：包括社交活动对寿命的影响，社交是否能辅助治愈一些如自闭症、抑郁症之类的精神疾病等。本次journal我们通过解读一系列关于社交环境对果蝇本能行为的影响方面的文章，来对这一宏观问题进行探讨。我们选取的本能行为分别为睡眠、打斗和求偶，这三个行为对果蝇的生存与繁衍至关重要。

睡眠一直以来都是人们津津乐道乐于探讨的话题。果蝇的睡眠对果蝇的健康和寿命乃至许多其他本能行为的发挥表现都有影响。果蝇作为一种遗传学工具完备的模式生物用来研究睡眠行为历史丰富，对于果蝇睡眠环路的机制探究也有迹可循。社交环境对于果蝇睡眠的影响主要分为活动中和活动后：活动中果蝇的睡眠是下降的；活动后的影响取决于社交活动的种类，一对一的互动中，打斗通过多巴胺和章鱼胺环路的作用使得雄蝇的睡眠上升，求偶行为后雌蝇和雄蝇的睡眠均下降，雌蝇主要是由于需要进行后续的产卵和进食行为，而雄蝇是出于睡眠和求偶行为的相互抑制作用。当然，发育早期的睡眠剥夺也会对雄蝇的求偶能力有一定的影响，这主要是通过影响VA1v的肾小球体积造成的。我们更为关注的群体社交环境对睡眠的影响则不太相同，在互动中果蝇的睡眠减少，在互动后果蝇的睡眠需求增多。这种影响在幼虫期的社交环境中就会产生作用。雌蝇在幼虫期处于更为丰富的社交环境中时，羽化后的成虫需要更多的睡眠，雄蝇不受影响。而在成虫期，不同的社交环境对雄蝇的睡眠需求影响更大，对雌蝇影响微弱，只有在30只雌蝇共同饲养9天时，睡眠需求的上升才会显现。雌蝇的变化不受嗅觉系统的影响，而与调节学习记忆的基因amn1相关。成蝇期的睡眠需求变化也受十七个长期记忆调节基因和两个短期记忆调节基因dunce 和rutabaga影响，尽管二者对cAMP水平的调节作用相反，但是都能使短期记忆能力丧失。基于此，有学者提出，响应于社交环境的睡眠需求量的变化是源自于社交活动带来的突触连接的变化，这一突触内稳态修剪假说。后续一系列免疫组化实验也证明了这一假说，即在社交活动丰富的环境中，果蝇脑中会产生更多的突触连接，睡眠过程中冗余的无用的连接会被修剪，从而使得果蝇保持低水平的突触连接数量，在下一次的清醒循环中保持可以继续形成新的突触连接的突触环路可塑性；而随着社交活动丰富的累积，突触修剪需求增大，对睡眠的需求量就会随之增大。对正常经历了12小时清醒期的果蝇进行接下来的睡眠剥夺，免疫染色实验结果显示，与正常进入睡眠修期的果蝇相比，睡眠剥夺的果蝇具有更大的轴突末端，更多的短棘和更长的树突长度，更多的树突分枝；从之前的学习记忆相关研究来看，短棘正是行为印迹的体现，而其他三种变化也提示了更多和更复杂的突触连接的形成，证实了睡眠过程中确实会对突触进行修剪。通过比较单只饲养的果蝇和群居饲养的果蝇的免疫染色结果来看也有类似的结论，群居饲养的果蝇会产生更为丰富的突触连接。睡眠修建假说可以追溯到1984年，一篇研究中报道丰富的社交环境会使得果蝇的蘑菇体神经纤维数量增多。此外，除了突触修建假说，睡眠过程对能量的恢复，对氧自由基的清除也有一些报道。总而言之，睡眠是一个果蝇对自身的修复和恢复的过程，在更为丰富的社交环境中生存的果蝇，接收更为丰富的外界信息，进行更为频繁的社交互动，自然也就需要更多的睡眠从而保障在下一次清醒期间的正常生存。

社交剥离对个体打斗水平的促进现象不仅发生在果蝇小鼠等模式生物中，在人类等灵长类动物中也有报道，那么这种社交剥离为什么会促进打斗呢？以模式生物果蝇为例，科学家首先发现了嗅觉系统相关的蛋白质表达与群居造成的打斗降低相关，随后又发现了cVA这种雄性特有的信息素浓度的增加既可以降低雄蝇打斗的驱动力，又可以促进群体中打斗行为的发生，对果蝇打斗起双向调节的作用。在这个过程中，神经调质dsk和tk等可能参与到社交经验调节打斗的神经环路。那么为什么果蝇在社交剥离后要有较高的打斗水平而不是较低的打斗水平呢？在小鼠中的研究认为社交剥离会让本身社会性的小鼠产生负面情绪或压力，而这种压力可能是导致打斗提升的原因之一。但在果蝇这种独居性动物中并不适用，独居时的高打斗有利于在有限的生命周期中尽快的和竞争者结束战斗，争取资源或配偶；而群居饲养后的低打斗则可能是群居期间表现出了较多打斗行为使果蝇“疲惫”或“厌倦”，而在测试阶段不会表现出那么高的打斗水平了。

动物通过整合来自外部环境和内部状态的信号来调节社会行为，个体背景输入（如交配状态 、荷尔蒙状态 、人口密度 和先前的经验 ）如何调节社会行为表现环境线索对社会行为的影响高度依赖于动物的生理状态，有关于外部社会线索如何与内部状态相结合已有作者进行了研究并认为：在激素信号传导的背景下，社会经验通过调节激素受体与其靶基因之间的相互作用来影响生殖行为。已有大量文献报道了哺乳动物的典型性行为由组织发育中的大脑并控制成人潜在神经回路的激活的性激素控制，而遗传性在调节哺乳动物生殖行为中起次要作用；人们一直认为果蝇等昆虫的求偶表现完全由遗传性别决定，但研究者发现：保幼激素信号途径与CaMPK-dCBP信号转导途径协同促进 FruM 的表达来激活雄果蝇的 Or47b 嗅觉回路。在这些发现的基础上，他们提出遗传性别在塑造典型的性别行为中起主导作用，而生殖激素调节果蝇行为展示的活力。社交经验对雌雄果蝇的方方面面都有影响，例如果蝇的求偶行为经常被描述为经典的先天行为曲目，但最近已经描述了广泛的可塑性。特别是，事先暴露于同种或异种雄性的声学信号可以改变两性的求偶特征，这些特征在生殖隔离中很重要。研究结果表明，雄性在求偶期间可以根据社会环境的变化调节求偶歌的产生，这可能反映了能够应对性内竞争变化的优势。依靠雄性果蝇在求偶情境中学习的知识，测试了这种学习是否会改善雄性求偶。发现，首先，与没有经验的雄性相比，有求偶经验的雄性和不善于接受的雌性开始对mated的雌性进行求偶的速度较慢，而且花在求偶这些雌性上的时间也更少。然而，有经验的雄性比没有经验的雄性更早地开始追求vrigin。其次，与mated雌蝇交配过的雄性相比，与vrigin雌性交配过的雄性更快地接近vrigin或mated的女性，并且追求vrigin的时间更长。这些结果表明，求偶经验允许雄性果蝇以一种可以提高交配成功率的方式改进它们的求偶行为。对于雌性来说，社会背景会影响生殖行为和后代遗传多样性；择偶是一个复杂的适应性影响过程，涉及遗传和社会。当观察到另一位雌性的择偶后，观察者雌性倾向于优先与同一雄性（“基于个体”的择偶）或具有相同表型的雄性（“基于特征”的择偶）交配，就会发生择偶。 作为演示期间选择的一个，配偶复制并不特定于雌性，因为最近在雄性果蝇中也有记录。复制他人的择偶方式是一种快速且可靠的策略，可以收集有关潜在配偶质量和吸引力的信息因素。越来越多的证据表明，非遗传因素，如经验 、母体效应 和社会学习（即从同类中学习）是择偶的主要决定因素 。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2022-05-26 Journal club PPT

by 赵环

2022年5月26日，我们将进行2022年度第四次Journal Club，组织者为赵环，参与者有马铭泽、王蓉。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：Social isolation effect on Drosophila

报告内容：

12:00-12:30 Social isolation effect on Drosophila sleep——赵环

12:30-13:00 Social isolation effect on Drosophila aggression——马铭泽

13:00-13:30 Social isolation effect on Drosophila courtship——王蓉

13:30- 讨论

果蝇界的相亲大会——以模式生物果蝇为例探讨交配偏好

江苏卫视有一档非常经典的相亲类节目《非诚勿扰》为许多年轻人提供了一个选择自己心仪另一半的平台，无论是男性还是女性选择人生伴侣时都有心中的一套择偶标准，或是基于偏好的选择或是基于感觉的选择，这些选择将会为自己乃至后代带来不同的影响，因此，在做出选择之前，往往会考虑多方面的因素，如外形、内在、家庭环境甚至饮食习惯等。我们都知道，大脑皮层是高级神经活动的物质基础，那么，人们面对这些不同的可选因素中做出基于偏好的选择或是纯粹基于感觉的选择究竟是如何通过大脑进行调控的呢？

Glasgow神经与心理学研究所的神经学家们发现了指导人们做出基于偏好的选择的大脑运行机制。他们给予志愿者一对不同的零食，例如巧克力棒以及薯片，并且让他们进行选择。为了鉴定参与作出选择这一行为的大脑区域，研究者们给志愿者们戴上了EEG头套，并且利用大脑成像的技术进行信号捕捉。通过分析，研究者们发现大脑后内侧额叶皮层区域是负责基于偏好决定的关键区域。该研究的通讯作者Philiastides博士称：“我们的研究表明基于偏好的选择以及基于感觉的选择可能受到相同的机制调节。我们的发现同时表明基于偏好的选择与执行决定这两项功能是由同一大脑区域负责。这项研究能够提高我们对于心理学以及神经退行性疾病的理解。”

人作为一类高等动物会有自己的偏好，我们不禁好奇，果蝇是否也会有某种偏好呢？面对自然界中成千上万种不同品系、不同年龄、不同信息素的果蝇，雄蝇心目中的“女神果蝇”是什么样子？雌蝇又更加青睐于接受何种雄蝇？让我们走进果蝇的世界，赋予果蝇选择权，拭目以待她or他心中的“心仪伴侣”。

那么何为交配偏好呢？06年的一篇综述定义为交配偏好是一种动物对另一种具有特定表型特征的动物的吸引力，是交配选择的基础，是一种条件依赖的特征，对潜在配偶的区分取决于内部生理机能。果蝇最终选择交配的背后有一系列的过程主要包含了雄蝇求偶偏好的影响还有雌蝇的状态如自身偏好的择偶函数和规则，附加一些与外界环境的相互作用从而使得果蝇做出了基于交配偏好的选择。

倘若强制性将果蝇与非偏好对象交配是否会有不良影响并对其种族的繁衍带来不利后果，先前的研究表明，受限制于不喜欢的对象交配的个体的后代存活率和质量显著低于与不受限的个体，并且当雄蝇被限制与不喜欢的雌蝇交配后，雌蝇繁殖率显著降低，子代能存活到寿命也比较短。为了弥补因受限制繁殖而导致的后代生存能力下降，维持物种的基本的生存繁衍，非偏好的强迫交配带来的影响也不是绝对负面。生殖补偿假说认为亲代试图通过增加繁殖力来产生健康、有竞争力的后代，并增加对生存能力较差但仍存活的后代的投资来弥补因受限制繁殖而导致的后代生存能力下降的影响。例如被限制与非偏好的雄蝇繁殖的雌性生殖力绝对高于与偏好伴侣繁殖的雌性，她们做出了一种权衡，试图通过增加它们产卵的数量来补偿后代生存能力的降低。雄蝇会通过增加射精中的精子数量来补偿一系列负面影响的想法，雄蝇被迫与不喜欢自己或者自己不喜欢的雌蝇交配都会射出更多的精子，目的为了给雌蝇本身或参与精子竞争中的精子提供营养来弥补后代生存力低的不良后果。

我们将交配偏好细分为雄果蝇对雌果蝇的求偶偏好与雌果蝇对配偶的选择，并且从物种、体型、年龄、饮食、信息素、翅膀颜色和居住环境等多方面进行探讨。

早在1979年的一篇Nature阐明了交配偏好的模式与进化方向的关系——衍生物种的雌性不易与祖先物种的雄性交配，而祖先物种的雌性很容易与衍生物种的雄性交配。在年龄方面，与人类相似，所谓“老牛吃嫩草”是一种普遍心理，雄蝇偏好与年轻的雌蝇交配，而雌蝇易与年长的雄蝇交配，其中Or47b神经元对于年长雄蝇的交配优势是必要的，年长的雄蝇对雌蝇的气味更敏感；在体型方面，雄蝇偏好与体型大的雌蝇交配 ，雌蝇易与体型大的雄蝇交配。

俗话说“物以类聚，人以群分”，这句话的意思不仅体现在人的认知和行为上，在肠道菌群上也是一样的。拥有同样想法的人容易聚在一起，也更容易成为好朋友，他们的肠道微生物组成也可能更为接近。研究表明，肠道细菌可以引起宿主食物偏好和觅食行为的微妙变化。不同的微生物引起的变化不一样。众所周知，生命存在的原始使命是生存和繁衍后代。肠道菌群可以影响前者，对于繁衍后代，似乎也参与其中。科学家给果蝇吃不同的食物，一组食物里含有糖蜜，另一组含有淀粉。一段时间后，科学家观察到，放到一起饲养的两组果蝇，交配偏好出现了明显的倾向性：吃糖蜜的果蝇更愿意与吃糖蜜的交配，吃淀粉的果蝇更愿意与吃淀粉的交配。这也给我们一个提示，或许“单身狗”们脱单的秘诀可能是让你喜欢的人跟你吃一样的食物？

信息素是雌雄果蝇交配中非常关键的因素，包括aphrodisiac: 7,11-HD, 7,11-ND, ML和anti-aphrodisiac: cVA等。对于雌性来说，cVA在求偶雄性上的存在提高了处女蝇的接受能力。在交配过程中，少量的cVA从雄性身上转移到雌性身上，降低了交尾后雌蝇对雄蝇的吸引力，减少了雄蝇的性动机。为什么雄蝇只对同种的雌蝇产生偏好？对于这个问题，我们首先会想到不同物种的果蝇具有特异性的信息素来介导同种属之间的相互吸引。然而，在进化上亲缘关系非常近的种属，他们可能会具有相似的信息素或者相似的信息素受体，那么它们之间是通过什么机制来避免种属之间的求偶？研究发现，7,11- HD在D. melanogaster雄性中是一种促进求爱的兴奋信号，在D. simulans雄性中是一种抑制信号，并且不同的中枢神经回路提供了一种机制来改变单个化学线索的行为效价。

在特定的范式下认为雄蝇择偶的过程是理性的。理性的个体更倾向选择一个有良好基因或丰富资源的配偶可以大大增加他或她后代的数量、存活率和生殖潜力，并且通过他们的偏好，会对配偶的质量作出了个排名，且这个排名具有可传导性和适应性。即使在雄性信息有限的情况下，配偶的选择也是相似和可传递的。当视觉和化学感知都受损时，雄性的交配率急剧下降。雄性利用视觉和嗅觉/味觉来感知雌性，从而做出过渡性的配偶选择，但并不需要两者都这么做。通过对特定的雌性基因型和线索的偏好，雄性最大限度地提高自己的适合度，从而产生理性的配偶选择。与果蝇不同，人类在择偶过程中，即有理性的一面，也有非理性的一面。如果完全非理性，这将不利于人类在进化过程中将好的特性传递下来，而完全理性，就会很利益化，并且使人类呈现两极分化，激化很多矛盾。

以上，我们可以初步得出雄果蝇心目中的“女神果蝇”为体型较大、易接受、生殖能力强、具有更多的催情类信息素的年轻雌蝇。

PAUL I. WARD曾说过：The interest of each male is to father all the offspring, and the interest of each female is to maximize paternal quality. 对于雌蝇来说，在交配过程中对雌蝇的骚扰以及转移的精液对于雌蝇本身有一定的伤害性和毒性，体型较大的雄蝇能更快的使雌蝇达到性唤起阈值，进而完成达到交配的目的。此外，拥有更鲜艳、更对称翅膀的雄性对雌性更具吸引力。

隐性雌性选择(CFC)作为配后性选择,是近年来引起生物学家重视的新领域。隐性雌性选择自提出以来就一直引起广泛争议。雌性隐性选择(CFC)是指交配后两性间的选择，是由雌性驱动的机制在交配时或交配后产生的，这种机制偏向于精子的使用并影响雄性的父权份额。雌蝇交配结束至产卵之前，常排泄出雄蝇的精液，以前的观点认为，是因为过多的精液在生殖道内堵住了卵的排出。而新的研究表明，这可能是隐形雌性选择的一种机制。雌蝇在每次产卵之前排出刚与之交配雄性的精液，通过这一方式选择个头较大的雄性或者已经交配的体型较大质量较好的雄性精子，增加后代的生存质量。显然，如果雌性能驱逐自己不喜好的雄性的精液而保留自己喜爱的精液，这对于雌蝇本身以及种族的繁衍、后代的质量都获益匪浅。

本次讨论我们发现在果蝇中也有明显的交配偏好，并且基于偏好的选择将会给果蝇本身及其后代均带来益处，研究认为雄蝇择偶的过程是理性且适应性的，雌蝇中存在交配歌是交配后择偶的信号。与我们人类择偶一样，为了自己与未来，综合多种因素试图做出最优化的选择，即便被迫处于不利环境中，父母也会做出一系列的努力来弥补不良后果以培养出更健康，有竞争力的后代。古代封建社会包办婚姻就是典型的违背当事人婚姻自由权的婚姻行为，而如今早已废除崇尚恋爱自由、婚姻自由更加体现了选择自己喜欢的才是最好的，果蝇之间也许不存在高级的爱，但人作为具有感情的高等动物生活中充满了各种各样的“爱”。果蝇界基于喜好做出的选择产生的影响已显而易见，对于人类更加不言而喻，那么最后就祝大家都能找到自己喜欢的另一半吧，幸福美满！

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2022-04-28 Journal club PPT

by 朱培雯

2022年04月28日，我们将进行2022年度第三次Journal Club，组织者为朱培雯，参与者有陈洁、王林。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：Mating preference in Drosophila

报告内容：

12:00-12:30 The influencing factors and basic overview of mating preference——朱培雯

12:30-13:00 Neural mechanisms of courtship preference in male flies——王林

13:00-13:30 The mate choice in female flies——陈洁

13:30- 讨论

动物的繁衍是种族延续的重要保障，那么动物在繁衍过程中是如何吸引异性并交配成功的，影响两性交配的因素有哪些，以及动物如何辨别异性等？我们乐此不疲的去讨论关于两性之间的话题和问题。

动物的交配过程是复杂且有序的。为了能更好的完成交配，不同动物表现出了各样的求偶仪式，如我们比较熟知的孔雀开屏，螳螂摄食求偶对象，另外，信天翁在求爱时会疯狂抖动下颌等。这种求偶仪式在果蝇中表现突出，果蝇在求偶时会靠近追逐雌蝇，随后完成触碰、煽动单侧翅膀唱求偶歌，弯曲腹部进行交尾等一系列动作。整个求偶过程大致概括为信号，区分和选择的过程。果蝇这种有序的求偶行为是由一条性别决定的分子级联通路来控制的，由雌性果蝇常染色体与X染色体比例的差异决定的sxl激活，从而导致雌蝇特异的tra蛋白的产生，进而对dsx和fru的转录本特定剪接，形成雌蝇特异的DSX^M蛋白；而在雄蝇中sxl和tra无活性，最终对dsx和fru的转录本以默认剪接的方式形成雄性特异的DSX^M和FRU^M蛋白。

果蝇的交配过程也是一个相互交流和影响的过程，他们分别感受对方携带的信息决定是否进行交配，在这里，我们主要讲述的是雄蝇在求偶过程中的一个重要仪式—求偶歌，并详细讲述求偶歌的发生，调控，功能和雌性的应答。

早在1962年的science上就对求偶歌有了一定的描述，将求偶歌描述为果蝇在求偶中由于翅膀振动产生的一种脉动，并记录下声音的波形。在后续的研究中，对这种求偶的脉冲进行了更为细致的研究，这种脉冲的间隔为35ms左右，果蝇振翅的频率为220次左右/sec。当然我们现在熟知的求偶歌不只是一种脉动，它被划分为多个部分，包括正弦歌，脉冲歌，脉冲间隔，正弦歌和脉冲歌之间的振幅比等等。

一、求偶歌的功能：

求偶歌是雄蝇在求偶过程产生的一种求爱方式，会显著影响果蝇的交配成功。当将求偶雄蝇的翅膀剪掉后，果蝇的交配成功率显著下降。在这个条件下对果蝇重新施加求偶歌后，交配成功率得到了一定的挽回。说明求偶歌的有无直接影响到了雌蝇的接受水平。在这一过程中，主要由pulse song发挥功能。

在求偶过程中，雄蝇表现的更为活跃，雌蝇运动更少，这其中也与求偶歌有关。在播放完整的求偶歌和pulse song后，单独放置的雄蝇总的移动距离和移动时间显著升高，说明求偶歌显著促进了雄蝇的运动；当给雌蝇放入一个断翅雄蝇后并播放求偶歌时，雌蝇的总移动距离和总移动时间都低于不播放求偶歌的组，说明雄蝇在求偶时唱的求偶歌能显著降低雌蝇的运动。果蝇的这种行为模式，给两性交配成功提供了机会。

播放一定强度的求偶歌能引起雄蝇的chaining behavior，chaining指数在ipi为35ms，强度为85分贝时达到最高。这种由Courtship song引起的雄蝇chaing行为是依靠雄蝇的听觉系统来完成的。主要由fru+二级听觉神经元aPN1和 fru+三级听觉神经元vPN1发挥功能。其中三级听觉神经元vPN1对求偶歌引起的雄蝇的chaining behavior是充分且必要的。那么感觉中枢 pC1 神经元是否在 vPN1 神经元下游起作用以处理歌曲信号？vPN1和pC1这两种细胞类型之间存在潜在的突触接触。失活pC1神经元使雄蝇对求偶歌的响应完全消失，而在钙成像的实验中也说明了pC1会响应求偶歌，并且其活性会随着ipi的变化而变化，均说明了pC1参与了求偶歌的处理过程。

除上述以外，求偶歌还显著影响果蝇的打斗、种间识别等，说明求偶歌在果蝇生命行为中的影响深远。

二、雄蝇求偶歌的产生：

求偶歌的起始：决定向雌性求爱的雄性会以一种复杂的行为仪式来吸引雌性，最显著的表现是发出求偶歌曲。它首先通过感知挥发性和接触性信息素来确定目标的物种、性别和交配状态。这些化学信号可以是刺激的(来自雌性)，也可以是抑制的(来自其他雄性)，它们被认为激活了控制求爱决定的固有回路。

求偶歌的决定：雄蝇求偶行为及求偶的起始在很大程度上是由大约2000个神经元控制的，这些神经元表达性别特异性转录因子Fruitless。这些神经元包括检测信息素的感觉细胞，位于高级大脑中心的中间神经元和运动神经元。考虑到在两性中都有潜在的歌曲发生器，通常只有暴露在雌蝇信息素的条件下才会被激活，那么大脑中的哪类神经元决定了要唱歌？通过互补交叉和克隆表达策略，最终筛选到了由20个神经元组成的集群，称为P1。P1激活诱导出了雄性求偶歌以及求偶过程中的其他元素，如弯曲腹部等。P1神经元对于求偶歌的启动是必要且充分的，且对其他求偶仪式的启动中也发挥了作用，这些神经元可能构成了求偶回路中决策中心的一部分。在果蝇的求偶过程中，P1神经元响应整合了嗅觉和味觉的信息线索，并将这种感觉线索传递到下游的下行神经元上，筛选到fru+神经元PIP10和P2b同时支配高级大脑中枢和VNC，并对求偶歌的产生是充分且必要的。而其他三类位于胸段的fru+神经元dPR1、vPR6和vMS11部分调节了果蝇的求偶歌。总之，这些研究为我们提供了很好的模型去理解感觉的输入和行为输出之间的选择。

求偶歌的展现：先前的研究已经表明，雄蝇求偶歌回路中有多种活跃的神经元，这些神经元来自于大脑中整合社会线索的神经元。尽管有了以上这些进展，人们还不清楚这些神经回路是如何协调周围肌肉活动从而调节求偶歌发生过程中翅膀的震动。后续研究中发现唯一在黑腹果蝇雄蝇中增大的胸翼肌肉hg1，hg1运动神经元的抑制会破坏求偶歌的结构，即只发出pulse song。相比之下，支配ps1运动神经元会影响果蝇的pulse song，而sine song正常，这些结果说明了求偶歌的运动控制是模块化的。

三、雌蝇对求偶歌的应答

在果蝇的求偶仪式中，雄蝇虽然占据主导地位，但是基于雄蝇散发出的各类信号，如信息素，求偶歌等，雌蝇可以评判雄蝇，并决定是否打开阴道最终完成交配果蝇。因此，在这一过程中，雌蝇对雄蝇求偶歌的应答十分关键，它决定了交配是否成功。

在交配过程中，雌蝇通过听觉器官接受求偶歌信号，并激活下游环路。最终作用于阴道板。歌曲感知由第二触角段中的JO)介导，与其他机械感觉线索平行。与哺乳动物毛细胞一样，活动过程介导听觉器官的频率敏感性，JON 和一些中间神经元的响应特性随刺激强度或物种的不同而变化。对在 CNS 中表达的 GAL4 系进行听觉筛选，并确定了七类主要的候选听觉投射神经元 (aPNs) 和五类听觉局部神经元 (aLNs)，其中只有一类投射神经元 (aPN1) 和一类局部中间神经元 (aLN(al)) 是对任何性别的歌曲的行为反应所必需的。引人注目的是，这两种细胞类型中至少有一部分神经元表达fruM。求偶歌听觉信号的响应是由GABA信号来调节的，pC1神经元的GABA受体接受GABA信号并调控果蝇的接受。

处女蝇通过打开阴道板来表示她愿意交配，让求爱的雄性交配，阴道板开口 (VPO) 响应雄性求爱歌曲而发生，并且取决于雌性的交配状态。那么外部感受（歌曲）和内在状态（交配状态）输入是如何整合以调节 VPO ？在这里，我们简述了在雌性黑腹果蝇大脑中执行交配决定的神经回路。VPO 是由一对雌性特异性下行神经元 (vpoDNs) 控制的。vpoDNs 接收来自听觉神经元 (vpoENs) 的兴奋性输入，这些神经元响应黑腹果蝇歌曲的特定特征，以及来自编码雌性交配状态的pC1神经元。而在交配后的雌蝇中，vpoDNs 的歌曲反应减弱，说明交配雌性的接受能力降低。这种调节是由 pC1 神经元介导的。因此，vpoDNs 直接整合了控制果蝇雌性交配决定的外部和内部信号。而在交配后的雌蝇中，主要是通过伸出产卵期来拒绝雄蝇求偶的。在这一过程中，听觉神经元pC2I将听觉信号传递给下行神经元DNp13，进而引起雌蝇产卵期伸出以拒绝求偶。

四、总结

求偶歌对果蝇求偶过程及其他行为产生了重要的影响，对果蝇的交配繁衍至关重要。对于雌雄两性而言，求偶歌是二者沟通评判的重要信号，二者分别通过各自的神经环路响应求偶歌。求偶歌也为我们了解信号的输入，输出及筛选提供了很好的研究模型。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2022-03-31 Journal club PPT

by 苏祥彬

2022年03月31日，我们将进行2022年度第二次Journal Club，组织者为苏祥彬，参与者有韩彩虹、陈江涛。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：Courtship song in Drosophila

报告内容：

12:00-12:30 The function and basic overview of courtship song——苏祥彬

12:30-13:00 Generation of courtship song——陈江涛

13:00-13:30 Female response to courtship song——韩彩虹

13:30- 讨论

A brief introduction of “A brief introduction of locomotion”

Locomotion（尚无公认的汉语翻译），即动物进行位置移动的过程。它可以是自发的（如跑、跳、游泳等），也可以是被动的（如随洋流滑行、因地势滚动等），但只要是动物进行位置移动的过程，皆可称做locomotion。locomotion的原因众多，觅食、躲避天敌、寻觅配偶等需求都可以使动物进行locomotion行为。果蝇由于易于饲养、繁殖快速、研究积累丰富、生物工具齐全等特性，自然也成为了研究locomotion的优秀模式动物。因而，之前的研究者们对果蝇的locomotion行为的方方面面进行了全面的研究。

虽然此次journal club的主题为locomotion，但只是介绍了果蝇的步行与相关的研究，果蝇的飞行等运动方式并不在讨论范围之内。所以尽管名为“A brief introduction of locomotion”，此次journal club的主题基本只是 “果蝇的步行”，希望诸位多包涵。

果蝇一般的步行方式为三角步态（tripod gait），即果蝇步行时总会有三只脚着地。其中身体一侧总会有两只脚着地、一只脚迈出，而另一侧必定有两只脚迈出、一只脚着地。从果蝇上方俯视，可以发现着地的三只脚组成一个三角形，而迈出的三只脚则构成另一三角形。故此步行模式得名“三角步态”，许多节肢动物都使用这种方式进行步行。前人也对果蝇的步行进行了定量的测量。对一只成年雌性果蝇而言，她的瞬时最大步行速度为4.2cm/s，持续的直线步行速度为1.5cm/s。在持续直线步行中，果蝇迈出每一步的间隔时间为60ms到150ms。相对的，步频则为6.7步/s至16.5步/s。

果蝇的步行速度是果蝇步行的最直观的属性。所以在之后的许多研究中，果蝇的步行速度作为一关键因变量，被研究者反复测量，并用作其他因素的衡量指标。
在2018年发表在《Nature》上的《A gut microbial factor modulates locomotor behaviour in Drosophila》一文中，Catherine E Schretter等研究者认为在果蝇中，肠道微生物会影响果蝇的神经系统。为了验证这一猜想，Catherine E Schretter等研究者对不同肠道菌群状况果蝇步行速度进行了检测。他们发现在无菌条件下，果蝇的步行速度会加快。但若将果蝇和短乳杆菌（Lactobacillus brevis）等几种特定的菌群混合培养，这一步行变快的表型便可恢复。

与此同时，果蝇的步行速度的变化也被用作表征一些高级行为的类似行为。由于活动减少是抑郁症患者的典型症状之一，所以在以果蝇作为模式动物的抑郁症研究中，步行速度的降低被视为“类抑郁行为”。而在以果蝇为模式动物的帕金森症的研究中，研究者们同样使用果蝇的locomotion行为作为症状的表征。研究者令果蝇在垂直放置的、长十几厘米的实验管内爬行，作为对照的野生组果蝇绝大部分会在10s内爬到顶端。而具有类帕金森病症状的果蝇即使是十分年轻，也往往只能爬过半程，而年纪稍长的类帕金森病症状的果蝇在10s内爬行的距离则更短。

除了利用果蝇的locomotion作为其他行为的表征外，果蝇的locomotion本身的机制和原理也是一相当热门的研究方向。导向（orientation）、转弯（turning）等locomotion行为均得到了相当的解释。但由于时间有限，此次journal club 中并未详细介绍这些研究。此次journal club仅关注了三个问题：locomotion受什么脑区和回路影响？locomotion受什么外部因素影响？locomotion受什么神经递质的影响？

对于第一个问题，各类研究早已得到了比较确切的结论，locomotion主要由中央复合体控制。这一结论在20世纪90年代就已得到反复证实。但近年的种种研究也再次验证了这一结果，并对其进行了进一步的补充。在Robie AA等人于2017年发表于《Cell》的《Mapping the Neural Substrates of Behavior》一文中，他们希望将行为与所有相关的脑区关联起来。他们使用了经典的UAS-Gal4手段来对果蝇的脑区进行标记，他们找到了2204株Gal4系进行运动速度、运动朝向、跳跃、求偶等行为和因素的测试。由于实验对象过多，他们建立了一套自动分析手段。此自动分析系统会对各Gal4系采集一条分辨率为1024⨉1024的、长度约30000帧的、大概包括十只雌性和十只雄性的视频。之后系统会对此视频进行分析，并将行为与该Gal4系的空间表达样式关联在一起。经过大量的分析后，他们得到了若干张行为的脑区表达图谱。同时，他们再次验证了中央复合体对locomotion的控制。在中央复合体之外，亦有研究发现其他脑区也会影响locomotion。在2009年，Serway CN、Kaufman RR两人的研究中，他们使用硫酸羟脲（hydroxyurea，HU）移除了果蝇的蕈状体，并研究果蝇运动的方向和速度。然后他们令HU处理过后的果蝇和对照组同时进行布里丹范式（Buridan’s Paradigm）实验。在布里丹范式中，果蝇会被置于一个被水环绕的平台上，平台两端有两根无法触及的、醒目的色条。一架相机置于平台上，记录果蝇的行为和路径。对野生型的果蝇而言，它们会不停地在两根色条间往返。在他们的实验中，被HU处理而失去蕈状体的果蝇依旧会在两根色条间往返，果蝇的导向没有障碍，但移动速度会显著地降低，所以他们于论文中得到结论：蕈状体会影响果蝇的locomotion。不只在脑区层面上，locomotion行为的神经元层面的研究也同样取得了一定的结果。Carreira-Rosario A, Zarin AA, Clark MQ 等人于2018年在《elife》发表的文章才用了更普遍的研究手段来研果蝇幼虫的反向爬行。在前人的研究中，人们发现在75个稀疏表达的Gal4系中激活TrpA1会导致果蝇幼虫locomotion行为的异常。他们在75组Gal4系的基础上进行了进一步的筛选，并发现R53F07系的TrpA1热激活会导致果蝇幼虫的反向爬行。但R53F07系在幼虫神经系统中表达过于广泛，他们使用包括heatshork基因热激以及split- Gal4等交叉标记的手段将R53F07系进行进一步的细分，并确定了R53F07系中的MDN神经元控制了幼虫的反向爬行。之后，他们使用电镜确定了MDN的上下游神经元，并发现了与其相关的一条控制反向爬行的一条回路。

locomotion行为也会受到外部因素的影响。影响locomotion的外部因素众多，最重要的因素即是营养和食物。饥饿会影响果蝇的locomotion，使locomotion升高这一现象早已在果蝇、人类以及多种其他动物身上得到反复验证。但摄入的营养成分也同样会影响果蝇的locomotion。Rui Huang等人的研究证明高脂食物会促进饥饿导致的高运动活性。Sang Hyuk Lee等人又证明了高糖食物会影响果蝇的活动周期。从这个角度来看，或许大部分食物成分的改变都会对果蝇的locomotion产生影响。

另一个对locomotion产生显著影响的因素则是压力和应激。可想而知，有害的刺激（如电击、高温）和捕食者的信号（如阴影、气味）自然会影响果蝇的运动，或是使其瞬间加速，或是使其僵直。这些现象也得到了大量研究的支持。但长期的压力也会影响果蝇的运动速度和运动特点，人们经过研究得知，果蝇在长期的压力下会更倾向于在角落和边缘运动，此现象与小鼠等模式动物的表现十分一致。

此次journal club对最后一部分的内容是控制locomotion的神经递质。影响locomotion的递质众多，包括但不限于OA、TA、AKH、TK。从某种意义上来说，可以认为大部分神经递质均会对locomotion产生影响。或许正因如此，此部分内容也缺乏关键性的文章。大部分研究locomotion的高分文章基本只会顺带提及神经递质，而不会专门研究神经递质对locomotion的影响。

以上则是此次journal club的大致情况。locomotion是果蝇一关键行为，有各种独特的特性，也是果蝇行为学的研究热点之一。希望此次journal club可以增加大家对locomotion的理解，并帮助大家之后的研究。即使只是让大家多了一点日后的谈资，我相信此次的journal club 便达到了其目的。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2022-02-24 Journal club PPT

by 朱寰

2022年02月24日，我们将进行2022年度第一次Journal Club，组织者为朱寰，参与者有孙梦实、李小龙。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：A brief introduction of locomotion

报告内容：：

12:00-12:30 Introduction to Drosophila locomotion & the locomotion circuits 朱寰

12:30-13:00 The locomotion inducers 孙梦实

13:00-13:30 The locomotion neurotransmitters 李小龙

13:30- 讨论

吃：品人间百味

味道是什么？关于味觉的历史，最早可追溯到十亿多年前的原始细胞，用于感知周围海水中的化学物质。随着进化出了多细胞生物，味觉和嗅觉系统在自然选择上发挥了核心作用。对于人类而言，从素食到杂食，从生吃到熟食，味觉的演化提供了生存与繁衍的基本需求和渴望。人类通过味道辨别出那些帮助生存或事有害的食物。而在当下，人类对于“味道”的感知和定义，往往起源于食物，又超越了食物。比如说，“甜”，甜味是人类的舌尖能够最先感受到的味道，而人们也常常用这个字来表达喜悦和幸福的感觉。

人和高等动物的味觉感受依赖于分布在舌头上的味蕾，他们对于味觉的需求程度，决定了不同动物之间的味蕾数量差异。神奇的是，海洋动物中大部分鱼类的味蕾异常发达，从头到尾的全身基本都布满味蕾，鲶鱼也因此获得“会游泳的舌头”这一美称。而昆虫类动物往往在足末端也附有味觉器官，也可以理解为摸到即尝到。那么在实验室中被我们精心喂养的果蝇又是如何品尝食物的呢？

已有研究表明，果蝇的味觉器官主要分布于喙前端的唇瓣、翅膀的前翼侧缘、趾骨末端、咽部和产卵器位置。味觉器官往往由形态各异的味觉感受器所覆盖，是味觉检测的基本功能单位。在唇瓣，翅膀和足上分布着味觉刚毛，这些味觉刚毛的尖端有一个小孔，味觉物质可以通过这个小孔进入并与其中的化学感觉神经元接触。当果蝇打开唇瓣摄取食物的时候，在每排的唇瓣环沟之间还分布着taste peg这类味觉感受器。感受器中还有数量不一的味觉受体神经元，部分还有机械感知神经元。就是这些小小的感受器，让果蝇也能够品尝到酸甜苦咸鲜的美妙滋味。

甜味，意味着食物中含有糖分和碳水化合物的代谢产物，可以供给能量和卡路里。虽然果蝇和人类拥有不同的味觉感受器，但是对于相同范畴的甜味分子反应具有相似的积极性。最早的研究发现，果蝇的糖感知相关受体Gr5a表达在大部分甜味神经元上，并且能被一部分糖类（如海藻糖）特定激活。Gr64的表达模式与Gr5a存在一部分的重叠，并且与Gr5a所感知的糖类范围有一定的互补性，对蔗糖、麦芽糖和葡萄糖等多种糖具有敏感性。大部分糖类的感知都依赖于Gr5a或者Gr64a，同时还需要辅助性受体Gr64f的参与，帮助介导糖感受信号的传递。根据序列的保守性，Gr5a和Gr61a,Gr64a-Gr64f具有25%～40%的氨基酸同源性，这八个受体分子被普遍认为是负责糖感知的味觉受体。特定的甜味感知至少需要一类味觉受体参与，特定的受体也能参与识别不同类型的甜味感知。

与上述提及的八个甜味受体相比，Gr43a受体的生理性功能更加独特。分布在味觉感受器上的Gr43a作为味觉受体，能够特异性识别果糖信号（唇瓣部分的Gr43a可能参与对水和低盐的感知）。分布在脑，前胃和子宫的Gr43a受体则被视为能感受自身能量状态的感受器。血淋巴中主要存在的是葡萄糖和海藻糖，但是其含量变化水平基本比较稳定。反观果糖，虽然血淋巴中含量较少，但在进食之后存在一个明显的上升状态，这使得果糖非常适合作为能量监测的指标。表达在侧前脑的Gr43a受体能特异性地被果糖激活。饥饿状态下，Gr43a神经元的激活会促进果蝇进食，而在饱腹状态下，Gr43a神经元的激活类似厌恶信号，抑制了果蝇的进食状态。

近几年的研究发现，果蝇的咽部感受器同样存在着多个甜味感知受体，并且Gr64a和Gr43a能指导果蝇对于甜味化合物的持续性摄入。而并不表达在咽部甜味神经元中的IR60b受体会接收蔗糖的信号，并激活一个抑制Gr43a神经元的相关环路，从而限制果蝇进食。此外，果蝇的翅膀上也存在一些甜味受体。果蝇通过扇翅来感知环境中的食物信号，这些信号一定程度上会影响群聚和产卵行为。

虽然果蝇的味觉感受器分布在不同的器官上，但是大部分都会投射到脑部的SOG位置，即大脑中味觉处理的第一个中转中心。不同来源的味觉信息会被投射到SOG的不同位置。有趣的是，每个味觉器官的输入会被传递到不同的更高级神经环路，而这些神经环路反过来调节进食行为中的不同方面。在果蝇的腿部存在两种不同投射的甜味感知神经元：一类轴突的投射会在胸神经节终止（stGRNs），而另一类则直接投射到大脑(atGRNs)。当果蝇腿部接触到食物时，激活的stGRNs会抑制果蝇的运动，而atGRNs调控进食行为的起始。咽部的甜味感觉神经元会选择性输入IN1中间神经元。IN1神经元会将果蝇本身的饥饿状态和外界的蔗糖浓度信息整合起来，从而控制果蝇摄入过程的速度、食量和时间。唇瓣上的Gr5a神经元投射到SOG位置，跟二级甜味投射神经元NP1562产生功能性连接。NP1562神经元将信息从SOG传递到AMMC，影响果蝇的伸喙行为。同时，饥饿状态会提高NP1562神经元对于糖溶液浓度的敏感度，表明饥饿在一定程度上能调节二级甜味传递的信号响应。

前面提及Gr43a受体可被视为能感受自身能量状态的感受器，通过检测进食前后血淋巴中果糖水平的变化，同时根据自身状态来维持或停止进食。果蝇在饥饿状态下会去觅食，而进食之后血淋巴中的果糖含量会有一个迅速且显著的上升。脑前侧的Gr43a神经元被果糖特异性激活之后，延长了果蝇摄食过程。随着食物的摄入，血淋巴中的葡萄糖水平也有缓慢的上升，果蝇逐渐呈现饱腹状态。葡萄糖含量高时，背侧扇形体神经元接收SLP-AB神经元释放的谷氨酸信号，表现出震荡性钙活性。同时，饱腹状态下，扇形体释放出更多的TK分子，TK与表达在Gr43a神经元的TKR99D受体结合，抑制了Gr43a神经元的活性，结束果蝇的进食行为。一个三层的神经回路将血淋巴中果糖和葡萄糖浓度的检测联系起来，从而实现了精准的状态依赖性的进食行为调控。

除了摄食和营养状态等系列相关的行为，甜味还会和哪些信号整合影响其他方面的行为？我们最先好奇的一定是关于不同的味道是如何被大脑接收并整合的。那必然就有研究人员同时将甜味和苦味混合施加给果蝇，机智的果蝇在面对这种食物时调整了进食策略，减少了伸喙反应反而增加了缩喙。通过对苦味和甜味感知神经元的操作，研究人员提出了合理的假设：苦味物质可能直接抑制甜味神经元，从而抑制了果蝇在面对苦甜混合物时的伸喙反应；同时也可能激活苦味神经元使得缩喙反应增加。一部分味觉细胞上存在气味结合蛋白OBP49a。当果蝇受到苦味刺激之后，蛋白OBP49a会靠近表达在甜味神经元上的Gr64a受体，这很可能是苦味信号被甜味神经元感知的一种方式。其次，不光光是苦味，食物的硬度也会影响果蝇对于甜味物质的偏好。表达在机械感知神经元中的nan受体会参与食物硬度的感知。同时机械感知神经元通过抑制甜味神经元对于糖的响应实现食物甜度和硬度的整合。另外，食物的温度也会影响果蝇对甜度的感知。已有研究发现，果蝇会对低温的可口食物表现得索然无味，且这种反应并不是由低温直接影响甜味神经元引起的。低温会同时触发苦味和机械感知神经元，在果蝇大脑中产生冷信号使其停止进食。同时视紫红质6很可能间接抑制了甜味神经元与大脑之间的通讯，从而达到抑制甜味神经元的效果。

在饥饿状态下的果蝇往往也睡不好，很可能是由于果蝇过度的觅食导致睡眠降低和运动上升。研究表明，只需要补充有甜味无能量的三氯蔗糖和阿拉伯糖就可以挽回果蝇睡眠，而有能力却无味道的山梨醇无法挽回。这整个过程仅仅激活了果蝇的甜味神经元，进而实现对于睡眠的调控。此外，饥饿的果蝇会表现的对糖更敏感，而对苦味物质更加迟钝。果蝇对甜味和苦味的感知似乎是独立的，由NPF和多巴胺神经元参与了饥饿对甜味感知的调节，sNPF则参与饥饿对苦味感知的调节。更神奇的是，甜味感知相关的Gr5a神经元对于果蝇打斗的发生是必要的，但在果蝇身上是如何整合甜味信息和来自竞争对手的信息机制并不清楚。

最后，引用《追忆似水年华》中的一段话来结尾，“即使人亡物毁，久远的往事了无陈迹，唯独气味和滋味，虽说更脆弱，却更有生命力；虽说更虚幻，却更经久不散，更忠贞不矢；它们仍然对依稀往事寄托着回忆、期待和希望，他们以几乎无从辨认的蛛丝马迹，坚强不屈地支撑起整座回忆的巨厦。”那些被我们遗忘的记忆，那些酸甜苦辣的过往和经历，也许味觉在不经意间帮我们记住或者记得更久。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2021-12-30 Journal club PPT_compressed

by 金思慧

2021年12月30日，我们将进行2021年度第九次Journal Club，组织者为金思慧，参与者有孙梦实、马铭泽。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：Sweet taste: GRNs, CNS and behaviors

报告内容：

12:00-12:30 Taste detection by sensory neurons——金思慧

12:30-13:00 Sweet taste processing in the brain——孙梦实

13:00-13:30 The integration of gustatory system and other information——马铭泽

13:30- 讨论

小酌或许怡情，大醉必定伤身

——以模式生物果蝇为例探讨乙醇成瘾

“绿蚁新醅酒，红泥小火炉。晚来天欲雪，能饮一杯无？“唐代诗人白居易的这首《问刘十九》描述了冬日小酌的一副美好画面，而关于酒的诗作更是浩如烟海。现在随着各种酒文化和品类的日益丰富，酒不仅仅是重要场合的必需品，也是现在年轻人结束工作后娱乐放松的快乐源泉。然而，随着酒精品类的发展和社会生活需要，酒精滥用成瘾的情况也日益加剧，酗酒行为导致如酒后失态，醉驾事故，过度饮酒导致的疾病甚至死亡等各种严重后果。明知酒精伴随着这么多危害，为什么人们还如此沉迷酒精呢？

世界卫生组织（WHO）界定成瘾的重要因素有：(1)失控：控制使用精神活性物质能力受损，持久强烈使用精神活性物质的欲望；尽管明白有害，但仍然继续使用；(2)渴求：强烈的欲望或强迫性觅药与用药行为；(3)耐受性与戒断状态：耐受性指明显增加物质的使用量才能达到中毒量或预期效果，或相同的物质使用量则达不到预期的效果；戒断状态为当物质使用减少或终止时出现的特殊症状群。成瘾的常见病因包括药物成瘾和行为成瘾；而在药物成瘾中，酒精是世界上使用最为广泛的成瘾性物质。并且酒精滥用和成瘾已被明确报道与死亡、疾病密切相关，给个人和社会带来危害。

接下来，我们将以模式生物果蝇为例，从酒精成瘾的分子机制、酒精和多巴胺的联系、酒精和社会行为的联系三个层面介绍酒精成瘾相关内容。

一、酒精成瘾的分子机制

果蝇一直是阐明基因作用、确定分子机制和生物过程基础神经回路的主要模式生物。果蝇作为模式生物的优点在于果蝇体积小，繁殖快，成本低，更小、更不复杂的基因组，以及更小、更具特征的神经系统协调广泛的行为，适宜大规模筛选；65%至75%的人类致病基因在果蝇里具有功能性同源物，这使得果蝇成为研究基因和基因产物在人类疾病中作用的经济有效的模型；以及各种神经遗传学操作工具的发展和成熟运用，使得果蝇成为可靠的模式生物来研究酒精成瘾。

• 模式生物果蝇和酒精成瘾

利用果蝇研究成瘾的首要问题是：果蝇是否具有乙醇偏好性呢？在自然界中，我们经常能在熟透甚至发酵到腐烂的水果上看到果蝇的身影，研究人员认为，除了食物本身可以提供能量外，水果发酵过程中产生的乙醇也是吸引果蝇的一大重要因素。研究证明苍蝇确实偏好在发酵的水果（约4.5%的乙醇）上产卵，并且偏好在乙醇基质产卵的行为一部分是由多巴胺能神经元所介导。

乙醇分子究竟是通过什么受体被感知，目前并没有确切的结论，但是当果蝇的orco基因（气味受体共受体，与配体选择性气味受体(ORs)形成异构复合体）突变缺失后，其对乙醇感知能力的敏感性下降，且嗅觉信息向高级脑区的传递与果蝇大脑内的Tβh神经元有关。

在哺乳动物中，低剂量的乙醇刺激运动，而高剂量的乙醇抑制运动。与哺乳动物类似，随着体内酒精水平的升高，果蝇的运动模式从过度活跃转向不协调，最终变为镇静。果蝇酒精成瘾的另一个表现是对乙醇具有强烈的渴求，将乙醇和惩罚刺激电击联系起来，果蝇可以克服电击带来的痛苦从而得到乙醇，并且这种渴求状态甚至超过了对糖的渴求。果蝇对乙醇的耐受性表现在，预暴露乙醇的果蝇，与未提前接触乙醇的对照组相比，其再次被乙醇麻醉后，苏醒的更快。酒精戒断性癫痫发作是酒精依赖最严重的症状之一：在人类中，戒断性癫痫由全身性抽搐与痉挛性肌肉收缩交替组成，发作最早可在戒酒后6小时或最后一次饮酒后几天发生；在果蝇体内，研究人员发现，戒断酒精的果蝇相比对照组被电击刺激诱导产生癫痫发作的阈值有明显降低，这被认为与人类戒酒癫痫发作类似，并且癫痫诱发阈值的降低与乙醇诱导slo基因的表达有关。将进食过乙醇的果蝇进行一段时间的乙醇剥夺，其再次接触乙醇后的消费水平迅速恢复到戒断前，表现出成瘾后的复发特点。

• 酒精成瘾的性别二态性

男性似乎比女性有更好的酒量，这好像是人们俗成的看法，但是酒量是否真的存在性别差异，以及这种性别二态性如果存在又是如何被调控的呢？研究人员发现乙醇反应在雌雄果蝇内确实存在明显的性别差异，比如在乙醇作用下，雄性相比雌性运动速率更高，镇静速度更慢，镇静后恢复正常状态也更迅速，这些差异一部分与雌雄两性本身的代谢速率有关，一部分则与雌雄基因的差异表达有关。在果蝇体内经典的性别决定通路由Tra-Tra2调控，在雌性体内，Tra-Tra2参与fru的剪切导致雌性体内没有功能性Fru蛋白产生，而雄性体内没有Tra的表达，fru可以正常转录翻译成雄性特异的FRU^M，并调控求偶等雄性特有的行为。当在雌雄体内分别人为操纵tra的表达，发现其在神经系统的发育过程中发挥功能，参与调控乙醇反应的性别二态性，并且FRU^M似乎在发育和成蝇阶段，反向调控了乙醇应答，而这或许提示我们基因在不同发育阶段的调控作用方式有多种可能。

• 酒精与记忆缺陷和疾病

生活中可能大家都亲身经历或者看到过度饮酒的人，喝醉后会出现遗忘的现象，也就是俗称的“断片儿“；并且长期饮酒的人、尤其是酒瘾很大的老人，因饮酒导致的记忆力衰退等情况会相对更加严重，那么酒精是如何影响记忆的呢？

蘑菇体是果蝇大脑中一个重要的结构，其在果蝇的嗅觉学习记忆中的重要性已经被广泛报道。amnesiac已经被确认调控蘑菇体（MB）中的嗅觉记忆形成，并且也被证明在cAMP信号通路中发挥重要作用，amn突变的果蝇对酒精的敏感度增高，表现为更快速的乙醇镇静。 随后另一个表达在MB中参与记忆的基因rutgaba，同时也参与编码腺苷酸环化酶（AC），在乙醇暴露实验中，rut突变体果蝇的镇静速度加快，乙醇敏感性升高，说明记忆基因amn、rut通过cAMP信号通路参与记忆形成。

scabrous负责编码一种与纤维蛋白原相关的分泌肽，通过Notch依赖的信号通路在神经发生、间隔分化和边界形成中发挥作用，而Notch信号通路已被证明分别参与小鼠的空间学习记忆和果蝇的嗅觉学习记忆。sca突变体果蝇不能表现出长时程暴露乙醇引起的乙醇偏好，而sca的表达模式包括蘑菇体，蘑菇体的αβ叶又是长时程记忆所的关键结构，所以sca很可能是通过对Notch信号通路在蘑菇体的活性从而介导乙醇偏好，是形成乙醇奖赏记忆所必需的。

在果蝇中，通过EGFR发出的信号影响细胞在多个发育点的命运、增殖、迁移和存活,并且已被报道其介导小鼠和果蝇的乙醇镇静反应。EGFR信号通路的上调会促进果蝇的乙醇镇静，下调会增强乙醇诱导的运动，使镇静下降。在神经系统里失活egfr，会影响蘑菇体中轴的正常发育，导致中轴过度延伸，因此，EGFR信号通路响应乙醇，并可能通过蘑菇体影响乙醇关联的记忆。

在哺乳动物中，先天免疫TLR信号通路被乙醇激活，并与乙醇水平的反应、偏好和酒精性肝病有关。在果蝇中，同源Toll免疫信号通路的激活会产生乙醇抗性，而通路的抑制则会产生敏感性，而不会影响耐受能力，因此长期接触酒精导致的免疫通路持续激活，可能是疾病发生增加的重要原因。

二、乙醇和多巴胺

神经系统是机体内对生理功能活动的调节起主导作用的系统，其主要功能是传递、储存和加工信息，产生各种心理活动，支配与控制动物的全部行为。在果蝇的神经系统里，GABA、谷氨酸、多巴胺、血清素、Ca²⁺通道和K⁺通道等不仅和哺乳动物具有同源性，也被报道在乙醇响应方面发挥功能。其中比较典型的，GABA是哺乳动物和果蝇神经系统中的主要抑制性神经递质，谷氨酸是哺乳动物神经系统中主要的兴奋性神经递质，也是神经可塑性的介质。谷氨酸神经传递受到严格的调控，因为过度刺激会导致癫痫发作。急性酒精暴露降低谷氨酸能活性，同时刺激GABA能活性。长期接触酒精会产生相反的影响。

关于成瘾的理论有不同的流派，但归根结底的落脚点在于成瘾物质的获取对于动物来说可以满足其生理或心理需要，使其得到满足感，也就是内部的“奖赏“。动物可以克服厌恶条件去获得酒精，这种强烈的渴望和偏好，使得酒精被认为是一种奖励物质。多巴胺也早已被证明参与调节奖赏系统：多巴胺是一种生物胺，与许多行为有关，包括运动、学习记忆、觉醒和奖励；多巴胺能系统的功能障碍是许多神经疾病的根本原因，如帕金森病和药物成瘾。在小鼠的研究中，急性酒精暴露增加VTA内多巴胺神经元的放电，这导致腹侧纹状体内多巴胺释放显著增加，并被认为在酒精强化的启动中起关键作用。下面，我们将主要讨论多巴胺是否在果蝇中也起着类似的作用。

和小鼠不同，目前并未有确切证据证明果蝇的多巴胺水平会受乙醇摄入的影响产生上调，但PAM DAN神经元确实可以响应乙醇。果蝇首次暴露乙醇时表现出厌恶，这种先天的厌恶由投射到扇形体的PPL1多巴胺能神经元介导；而多次乙醇暴露，果蝇对乙醇转变成明显偏好。利用不同气味与乙醇对果蝇进行联想学习记忆，长时程多次训练后，果蝇对乙醇联合气味的偏好性显著增强，并且多巴胺在乙醇联想学习记忆中，并不参与记忆的形成和巩固，而是调控酒精偏好记忆的提取。蘑菇体作为多巴胺能神经元的靶标，在乙醇关联奖赏记忆中的作用通过PAM 簇多巴胺能神经元发挥作用。

乙醇暴露会引起不同的运动效应，包括多动症和失去姿势控制。果蝇大脑中央复合体中的椭球体作为果蝇中控制运动的重要结构，接受多巴胺能神经元的投射，其中PPM3子集介导乙醇诱导的多动症；DopEcR——结合多巴胺的G蛋白偶联受体，调控乙醇诱导的镇静行为。

三、乙醇和社会行为

酒和人类行为的相互影响是生活中随处可见的，轻度饮酒的人可能表现出言语增多，过度饮酒的人则会表现出更多的行为变化，例如打架、社交能力增强等，而生活经验反过来也会影响人对酒的偏好，比如压力过大会增加酒精摄入，心情愉悦也会用酒锦上添花。与人类似，果蝇也被证明乙醇不仅可以改变它们的社会行为，如求爱，而且社会经验可以影响果蝇对乙醇的反应。

果蝇作为模式生物，调控其求偶这种本能行为的神经环路已经被解析，在野生型果蝇中雄性的P1神经元被雌性激活，从而输出雄性向雌性（M-F）的一系列求偶步骤直至最后交配完成，而雄性向雄性（M-M）的求偶不会发生。当雄性果蝇首次暴露乙醇时，其对雌性的求偶行为被极大程度的削弱，然而随着乙醇持续多次暴露，不仅M-F的求偶恢复，甚至M-M的求爱行为也得到了强烈的增强，然而反复乙醇暴露对雄性求爱行为影响的具体机制并不清楚。失恋的时候通过喝酒缓解痛苦，这并不是人类的特权：雄果蝇多次被雌性拒绝后，也会增加乙醇摄入量缓解“情伤“。在果蝇中，性经验对乙醇偏好的影响是由神经肽F（NPF）介导的，被拒绝的雄性NPF释放减少，乙醇摄入增加，而成功交配的雄性大脑里释放足量NPF，减少了乙醇摄入。

果蝇会不会像人一样，酒后容易发生打斗行为呢？答案是肯定的，研究结果表明，乙醇暴露的雄性对cVA（雄性特异的信息素，诱导打斗行为）的敏感性增强，从而增强了雄性间的打斗行为。除信息素外，雄果蝇的Fru^M与打斗有关，并且其表达水平也受乙醇调节。将果蝇暴露在低剂量酒精一段时间后，Fru^M蛋白丰度增加，雄性变得更具攻击性；而暴露在高剂量的酒精中则有相反的效果：服用酒精24小时后，包括蘑菇体和触角叶在内的整个大脑中的Fru^M蛋白含量下降，雄性的攻击性明显下降。在雄性果蝇中，酒精诱导的攻击性依赖于Fru^M。低剂量酒精诱导Fru^M表达并促进攻击性，而高剂量酒精抑制Fru^M并抑制攻击性。

除以上行为外，果蝇的社交隔离会导致脑神经元突触数量的减少，是社交隔离的果蝇对乙醇敏感性降低的一部分原因。

四、总结

综上所述，我们以模式生物果蝇为例探讨了酒精成瘾的分子机制，包括果蝇表现出的成瘾行为，成瘾的性别二态性以及乙醇对蘑菇体调节的三种信号通路；多巴胺能神经元对乙醇短暂性厌恶和长时程偏好的调控，以及对乙醇诱导的运动行为的响应；最后我们阐述了乙醇和果蝇社会行为包括求偶、打斗和社交隔离的联系。尽管目前在果蝇内关于乙醇的研究报道已经有了一定成果，但这一方面仍存在很多悬而未决的问题，比如虽然可以通过操纵基因或神经元检测对乙醇的响应，但乙醇是否具有特异的功能性受体，乙醇又对这些基因的表达水平如何调控，神经元信号的强弱如何收到乙醇的调节，甚至乙醇如果是作为奖赏系统的触发物质，多巴胺水平是否受到乙醇的影响？希望通过本次journal，可以帮助大家了解酒精成瘾的相关知识，最后，提醒大家饮酒点到为止，万万不可贪杯哦！

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2021-11-25 Journal club PPT

by 邢丽敏

2021年11月25日，我们将进行2021年度第八次Journal Club，组织者为邢丽敏，参与者有纪小小、苏祥彬。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：Alcohol experience in Drosophila

报告内容：

12:00-12:30 Molecular mechanisms of alcohol addiction ——邢丽敏

12:30-13:00 Alcohol and dopamine——苏祥彬

13:00-13:30 Alcohol and social behaviors——纪小小

13:30- 讨论

背景

“养生之道 ，莫于先食”。健康的饮食不仅可以提供生长发育所需的各种营养，还可以防治疾病，促进健康长寿。“要想身体好，吃饭七分饱”，这一箴言从古贯到今。古今中外，健康长寿的“秘诀”一直被众人所追求，但却又常常遭到误解，这其中最为人们津津乐道且亘古不变的一个理念就是“食疗养生”。早在400多年前，一位名叫路易吉·科尔纳罗（Luigi Cornaro）的威尼斯贵族就描述了如何通过限制饮食活到100岁。放眼如今的虚拟世界，铺天盖地都是关于食疗养生的鸡汤文、误解文、假意呼吁文，一时之间让人无所适从，那么这通过改变饮食来促进健康的理念背后真正的科学故事到底是什么呢？它又经历了怎样的征程？将要通往何方呢？

此次journal的主题我们将围绕在模式生物果蝇中的饮食营养与寿命进行介绍。

饮食营养与寿命的关系

饮食与寿命之间存在着相互的关系。1.在果蝇中，有两个主要且高度保守的营养信号通路，即IIS和Tor通路，它们分别对葡萄糖和氨基酸细胞水平的变化作出响应，并相互协调调节在细胞生长和影响寿命方面起着至关重要的作用。2.有意思的是，成年果蝇对营养需求是具有性别二态性的。成年雌雄的寿命对饮食干预的反应不同，两性在营养平衡方面表现出不同的偏好。通过独立控制每种营养物质的浓度，并测量雌性的繁殖力以及雄性和雌性的寿命，发现对于果蝇来说除了需要糖、蛋白质这些维持生长发育最必须的组分外，雌性果蝇对维生素、脂等其他的营养成分也是需要的，这些“多余”的营养似乎维持了其繁殖力；而雄性果蝇对糖和氨基酸以外的任何营养物质都似乎不需要。3.雌性卵子发生是造成维持生命的营养需求性别差异的主要原因，交配状态以及性染色体的剂量并不能造成这种营养需求的性别差异。4.成年和幼虫时期的饮食状态都会在一定程度上影响果蝇的寿命，并且在饮食限制的情况下对于两性来说似乎都能维持其相对的最大寿命。5.众多研究表明在果蝇中激活长寿的感官线索包括味觉和嗅觉，都可以调节果蝇的寿命（Gr63a、Or83b），但这只是延长果蝇寿命的方式之一。

蛋白饮食与寿命的关系

蛋白质作为维持果蝇生长和生存最必须的组分之一，在调节寿命方面发挥着至关重要的作用。研究发现P:C比值（蛋白质/糖）是寿命的主要决定因素，其机制可能是通过抑制TOR信号通路减少蛋白质摄入而影响寿命，并且这种表型可影响后代寿命。参考现有的对蛋白饮食影响寿命的研究，多数研究者采用了饮食限制（DR）的方式，发现必需氨基酸限制的饮食可以延长实验果蝇的寿命，比如甲硫氨酸、色氨酸。其机制可能是通过神经递质5 -羟色胺信号介导的Tor信号通路的下调。

糖脂饮食与寿命的关系

饮食中的糖脂在维持生物营养和能量代谢平衡方面发挥着重要的作用。1、脂质在果蝇脂肪细胞中是以脂滴的形式储存的，Snz是一种促进甘油三酯（TAG）储存的细胞器间连接蛋白，研究发现过表达Snz的果蝇脂滴(LDs)中TAG含量较高，更能抵抗饥饿胁迫，存活时间更长。2、如果长期处在高脂饮食的环境下，果蝇中的巨噬细胞通过产生upd3介导葡萄糖稳态的破坏和缩短寿命，此时机体会激发出相应的反馈机制来调节其对寿命的不利影响。3、脂类在质与量上的高摄入并不只会带来不利影响，这似乎打破了我们的传统观念。等热量中高脂肪可显著改善脂肪酸代谢，降低游离脂肪酸水平。减少的游离脂肪酸可以通过上调PPRC1来改善炎症和应激反应，最终延长寿命。这提示着我们“优“质””的中高脂饮食在促进健康方面发挥了不可小觑的作用。4、高糖饮食会引起尿酸沉积和小管功能等一些代谢涨障碍，进而影响预期寿命。这也符合近些年来“低糖”膳食所传达的科学观念。

总结

合理的饮食促进健康长寿，然而对于这背后的机制还很不清楚。通过蛋白饮食、糖脂饮食的调节，可以在一定程度上调控机体的寿命，它们可以通过单一的机制进行调节，但更多的是多层次多环路的相互协调。选择合理的膳食不仅有助于身心健康，在某种程度上来说作为影响寿命的外因，还有一定“延年益寿”的功效。希望大家在专心科研的同时保持健康的“高身体素质”膳食。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2021-10-29 Journal club PPT

by 王蓉

2021年10月29日，我们将进行2021年度第七次Journal Club，组织者为王蓉，参与者有陈江涛、张豫宁。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题 ：Dietary nutrition and lifespan in Drosophila

报告内容：

12:00-12:30 王蓉 Relationship between Dietary nutrition and Lifespan

12:30-13:00 张豫宁 Protein diet and Lifespan

13:00-13:30 陈江涛 Carbohydrate-lipid and Lifespan

13:30- 讨论～

背景

生物都需要睡眠来调节自身的状态，即使似乎不睡觉的海豚，它们大脑的两个半球也会交替进入睡眠状态。睡眠具备很多特征，比如长时间的静止、对感觉刺激的反应性降低、保持特定的睡眠姿势、剥夺后的恢复性睡眠以及快速可逆性（将睡眠与冬眠或昏迷区分开来）等。睡眠有很多功能，在最基本的层面上，睡眠是许多生物细胞维持基本功能所必需的，包括对突触和免疫功能的调节。睡眠还影响细胞代谢和大脑与其控制的外周器官之间的通讯，以及复杂的认知任务，包括学习和记忆。在复杂的环境中有很多因素会影响睡眠，包括生物体的摄食状态（饥饿，饱腹，食物中的各种营养成分），各种各样的生存压力，以及环境的温度等。睡眠如此重要，但我们对睡眠调节的神经和分子基础以及动物的内外环境如何影响睡眠的理解仍然很不清楚。本次journal我们介绍了果蝇的睡眠与摄食、温度、记忆的关系。

睡眠与摄食的关系

果蝇的摄食状态对睡眠有一定影响。1. 进食后的果蝇，在进食后的20-40分钟时间段，运动量下降，睡眠量上升，随着进食量的增加，果蝇的睡眠量也随之增加。LK信号在进食后睡眠的变化中起调控作用，失活LK神经元会抑制进食后睡眠的变化。2. 饥饿也会对果蝇的睡眠产生影响。用喂食咖啡因和机械震动的方式剥夺果蝇睡眠过程中，睡眠减少，并且在睡眠恢复期间，睡眠会发生反弹，觉醒阈值增加，但是相比前两者，虽然长时间饥饿也会导致果蝇睡眠减少，但是在睡眠恢复期间，其觉醒阈值不会增加，睡眠也不会发生反弹。进一步研究表明饥饿诱导的睡眠剥夺，在剥夺期间，果蝇白天和夜晚的睡眠都会降低，并且在夜晚的觉醒阈值会增高。夜间唤醒阈值的增加与饥饿有关，因为当果蝇使用咖啡因喂养或机械振动剥夺睡眠时，夜间唤醒阈值没有增加。这些发现表明果蝇通过增加夜间睡眠深度来补偿饥饿引起的睡眠损失。在神经元层面，在果蝇饥饿期间，Dilp2神经元的激活增加了果蝇睡眠深度，并且防止睡眠的反弹。3. 研究发现，食物中的各种成分也可以影响睡眠。食物中含有高浓度糖分可以诱导果蝇睡眠次数的增加，但不会使睡眠量增加，在食物中添加蛋白质可以使饥饿果蝇觉醒阈值降低，说明动物在日常饮食过程中应适当补充这种营养成分。

睡眠与温度的关系

果蝇作为一种个体非常小的变温动物，极易受到环境温度的影响，为了保证自身的生存条件，果蝇具备有强大的温度感知能力。果蝇的温度感受器主要集中在触角第三节上，这些温度敏感的神经元主要通过表达TRP家族的受体蛋白来对冷热信息进行感知。其中专门负责感知冷刺激的有Clod Cell，Sacculus Cell，专门负责感知热的Hot Cell，以及果蝇大脑内部分布的Anterior Cells也可直接对热刺激进行感知。

果蝇面对不同的温度刺激，会做出非常复杂的行为变化，所以从外周感受器接收到的温度信息进而会传递至更高级的中枢脑区来处理并输出相应的行为变化。研究者利用特异性标记温度敏感的神经元后，发现冷敏感和热敏感神经细胞会分别投射到antennal lobe上不同区域的嗅小球上，说明嗅球脑区上特定的区域协调对不同温度刺激的行为反应。在特定的嗅球脑区中，热敏感和冷敏感细胞与下游投射神经元产生复杂的突触联系，进而投射神经元将会把温度信息传递至更高级的MB,LH,PLP脑区，从而把温度信息加工成相应的行为输出。

对于果蝇，季节性变化会导致温度显著性的改变，同时在24h中昼夜的节律也会发生变化，所以环境温度的改变是怎样影响机体的节律，从而更适应这种季节性变化的呢？其中一种机制主要是温度的变化会直接影响果蝇节律基因的选择性剪接，不同的剪接产物将调控果蝇的节律行为，从而适应环境的节律性变化。另一种机制发现，温度变化的信息通过外周感受器chordotonal organ和Arista传递至DN1ps脑区，由DN1ps脑区加工连续变化的温度信息从而对果蝇的节律产生调节。

另外温度的变化也会对果蝇的睡眠量产生影响。研究发现果蝇在应对寒冷天气时， TPN-IIs神经元在寒冷条件下通过释放GABA来抑制DN1a活性，导致早晨（ZT0-3）的睡眠的增加，减少了傍晚（ZT6-12）的睡眠，并且晚上的睡眠会提前来临，白天午睡时间提前到更早的时间点。而环境温度升高会导致夜间睡眠减少。ACs通过释放乙酰胆碱促使DN1ps释放 CNMa神经肽，通过CNMa受体抑制dh44阳性PI神经元，从而促进夜间觉醒。

睡眠与记忆的关系

睡眠对记忆产成的影响早在100年前就得到了康奈尔大学研究者的验证。后来关于睡眠和记忆研究陆陆续续地推进，并得到了比较确凿的结果：缺乏睡眠会直接影响记忆的生成和重现。而在40年前，研究者发现无脊椎动物也会表现出类似于睡眠的行为，于是很快人们就将记忆和睡眠的研究迁移到了果蝇身上。果蝇的睡眠和记忆一时间成为了较为热门的课题。

在2006年前后，众多研究证明了果蝇的学习记忆同样会受到睡眠缺乏的影响，且发现睡眠缺乏是通过经典的果蝇学习记忆的通路——蕈状体、多巴胺能神经元等——来影响记忆的。之后相关的研究继续推进。很快，Jeffery M. Donlea在2011 年的《Nature》的文章中验证了人工引发的睡眠可以反向地促进记忆的生成，学习记忆后的睡眠甚至可以使果蝇在一般状况下无法产生记忆的集中训练（Mess Training）和社交富集（Social Enrichment）后的训练中产生记忆。而在同年，Daniel Bushey于《science》中发表了“Sleep synaptic homeostasis： structural evidence in drosophila”。Daniel使用绿色荧光蛋白标记了果蝇的腹侧小神经元（Small ventral lateral neurons，LNvs）、蕈状体的伽马叶以及小叶板垂直系统（lobula plate vertical system，VS），经过成像发现上述各种神经元的突触数量以及长度会随着觉醒时间升高，且会随着睡眠而减少。于是得到结论：果蝇的睡眠调节了突触的平衡，此结论解释了大多有关睡眠和记忆的问题，并作为一个关键的结论维持至今。

总结

在研究果蝇睡眠的新基因工具和技术方法的稳步进展的推动下，这一领域得到快速发展。这些进展已经超越了对调节睡眠的基本生物机制的研究，阐明了睡眠的复杂功能以及依赖于环境背景和生活的睡眠变化。将现有的技术方法与测量睡眠深度和伴随不同睡眠类型的生理变化的新方法结合起来，有可能揭示科学家们100多年来一直无法理解的睡眠的基本功能。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2021-10-14 Journal club PPT

by

李小龙

2021年10月14日，我们将进行2021年度第六次Journal Club，组织者为李小龙，参与者有王林、朱寰。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题 Sleep on Drosophila

报告内容：
12:00-12:30 李小龙  Relationship between Sleep and Feeding
12:30-13:00 王 林  Relationship between Sleep and Temperature
13:00-13:30 朱 寰  Relationship between Sleep and Memory
13:30- 讨论

背景

在过去的十年中，人们对肠道微生物群的兴趣和知识呈指数级增长。使用关键词——肠道微生物群在NCBI上搜索产生非常多以人类健康和慢性疾病（如炎症性肠炎、肥胖、2型糖尿病、心血管疾病等）为基础的在果蝇和小鼠以及其他模式动物中的研究，以及在进化过程中的保守机制上，肠道微生物群对于免疫、代谢、发育和行为的产生占据多大的影响，是如何影响的。肠道微生物甚至被称为果蝇额外的器官。食品行业将这一点推向了极致，商店货架上充斥着大量鼓吹“益生菌”或“发酵食品”的食品和补充产品；在杂志、互联网和电视广告中都可以找到他们的广告。这个话题快速增长的同时让很多研究人员也看到了许多未回答的问题。

我们这次的Journal主题主要针对肠道微生物群是怎样参与果蝇免疫、行为、代谢和发育进行介绍。

一 肠道微生物与果蝇免疫

肠道微生物群与果蝇免疫系统的相互作用主要发生在中肠，因为中肠含有大量的抗菌效应物，目前已知的抗菌效应物主要有三类：1.中肠的酸性区域，一般PH<3，当中肠酸性区域PH升高时果蝇对某些致病菌的敏感性增加，死亡率值升高，但是对于肠道微生物群的两类共生菌（醋酸杆菌和乳酸杆菌）来说其数量反而上升，表明酸性区域具有抑菌或杀菌活性，这也与人类肠道功能一致。2.抗菌肽——是昆虫体内经诱导产生的一类具有抗菌活性的碱性多肽物质。3.双重氧化酶Doux。后两类抗菌效应物经过肠道微生物表面多聚糖的诱导进而产生级联反应产生不同程度表达的抗菌物质，以此来保持肠道菌群的稳态，肠道免疫反应是微生物群组成和密度的重要调节器。除此之外在其他的蝇类（东非舌蝇）中肠道微生物还参与免疫细胞的发生。因此肠道微生物群和果蝇相互作用来维持肠道稳态。

二 肠道微生物与果蝇行为

肠道和大脑之间的双向沟通影响行为，包括焦虑、认知、伤害感受和社会互动等。协调的运动行为对动物的生存和繁殖至关重要，并受内部和外部感觉输入的调节，目前研究所知肠道微生物群影响果蝇很多行为，比如locomotion、求偶、打斗、睡眠等。近年对肠道微生物影响行为等研究大多集中在肠道微生物会影响什么行为、哪类肠道微生物对某类特定行为会产生影响，然而，关于肠道微生物组如何调节先天和社会行为，包括运动、求爱和攻击行为涉及的分子和细胞机制，还很不清楚。

三 肠道微生物与果蝇代谢和发育

对于肠道微生物群影响果蝇代谢和发育的研究主要集中在肠道微生物的代谢产物、肠道稳态以及肠道微生物群通过参与果蝇代谢细胞信号通路进而影响发育等方面。根据大部分相关文献报道肠道微生物对果蝇发育上的影响分为两个阶段：成蝇时期及幼虫时期。在果蝇幼虫时期，一个完整的微生物群对于低营养环境下生存的幼虫生长和化蛹时间是必不可少的，对于幼虫的最佳发育是必要的。微生物群可以通过对低营养物质的消化代谢进而产生幼虫所需要的营养物质和能量（脂肪，蛋白质，氨基酸等）帮助幼虫生长，主要是植物乳酸杆菌L. plantarum通过作用于tor依赖的宿主营养感知系统的上游来发挥其优势，控制激素生长信号。在成蝇中，研究发现肠道微生物可以影响果蝇卵巢的发育继而影响了果蝇的产卵行为。其次肠道微生物也是同样在低营养环境下，特定的微生物直接促进氨基酸的吸收营养的饮食和作为源来拯救营养失衡,而不是增强宿主代谢,刺激肠道间接过程,如运输时间,或修改摄食行为来拯救果蝇营养不良。此外研究表明共生微生物通过几种机制促进宿主生长。首先，它们通过不同的方式改善宿主的营养，果蝇幼虫可以利用惰性微生物的生物量作为额外营养物质的来源，特别是在营养缺乏的条件下。其次，活菌可以通过提高宿主肠道肽酶活性来提高氨基酸的吸收。细胞水平上，共生微生物对寿命和发育的影响可以类比，共生微生物刺激祖细胞的增殖，幼虫中的AMP 和成蝇的ISCs[小肠干细胞]触发活性氧的产生。同样，在这两个阶段，共生微生物都可以通过提供或增加营养物质的吸收来激活营养感知途径(TOR和胰岛素受体信号)。这导致了更快的发育和更快的衰老。因此，共生微生物似乎倾向于“活得快，死得早”的方式。

肠道微生物组近年成为比较热门的话题，但是还有很多问题，比如肠道微生物组影响行为的分子机制是什么、脑肠怎么沟通、为什么在不同的无菌培养方式对果蝇运动的影响不同、肠道微生物群是否可以作为未来对抗人类某些疾病一个重要的工具等。希望我们这次汇报会给大家带来一些思考。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2021-08-26 Journal club PPT

by 张豫宁

2021年8月26日，我们将进行2021年度第五次Journal Club，组织者为张豫宁，参与者有苏祥彬、王蓉。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：Influences of gut microbes on Drosophila

报告内容：
12:00-12:30 张豫宁 Gut microbes and Drosophila
12:30-13:00 苏祥彬 Gut microbes and behavior of Drosophila
13:00-13:30 王 蓉 Gut microbes and the development and metabolism of Drosophila
13:30- 讨论

本次 journal club选择的主题是和大家讨论近 3 年发表在 CNS 杂志上的和本实验室研究领域相关的文章。CNS 杂志基本代表了基础学科研究领域最顶尖水平，希望对这些文献的学习可以给我们启发。

有关神经环路研究

“行为如何产生？”是神经行为学领域的科学家们一直尝试回答的一个问题。拆解这个问题，其实就是需要我们找到是什么样的外界或内在刺激，调节了什么神经元的功能，神经元之间通过什么样的连接和沟通方式，最终输出什么样的行为。果蝇的本能行为一直被认为是适合解答此类问题的模型。两篇来源于同一个实验室（Barry J. Dickson）的发表在 Nature 上的文章，分别解析了雌性果蝇接受和产卵行为的神经环路，展示了现今研究果蝇本能行为环路的最高水平和技术。优秀的发现首先依赖于强大的资源。Neural circuit mechanisms of sexual receptivity in Drosophila females.中，作者依赖Janelia Farm 的split Gal4果蝇资源（https://splitgal4.janelia.org/cgi-bin/splitgal4.cgi），筛选出了和果蝇接受行为相关的神经元 vpoDN，其功能是控制果蝇阴道板打开（VPO, virginal plate opening）。之后通过对vpoDN 激活后果蝇行为学的观察和神经元投射推测其上游是求偶歌，且vpoDN 和初级听觉神经元之间存在一个中间神经元。之后作者依赖雌果蝇脑电镜库 FAFB（ https://catmaid-fafb.virtualflybrain.org/#）比对找到了疑似的中间神经元，后再次依赖split Gal4果蝇资源找到了标记该中间神经元的Gal4 工具果蝇。有标记工具研究神经元就容易了很多。除此外，作者也通过电生理、钙成像、不同强度的光遗传对神经元进行不同程度的激活等实验解析了 vpoDN 神经元和外界刺激（male courtship song, convey via vpoEN&vpoIN）以及内在交配状态（mating status, encoded by pC1）之间在神经环路上的关系。且由于 split Gal4 工具标记到的神经元非常数目非常少（1 pair of vpoDN, 2 pairs of vpoEN and 14 pairs of vpoIN）所以整个环路非常简练、精确。整篇文章通过对雌果蝇接受环路的探索，发现对于这一行为，外界刺激和雌蝇内在状态汇合到最下游的command neuron vpoDN, 且通过sum-to-threshold的方式来调节 vpoDN 的活性。

Neural circuitry linking mating and egg laying in Drosophila females. 这篇文章中，用和前文提到过的类似方式鉴定出了一组调控雌蝇产卵行为的神经元 oviDN。作者发现对 oviDN不同程度的激活后，果蝇会根据激活程度依次展现abdomen bending，ovipositor extrusion 和 egg deposition这三个行为。这些行为可能会终止，但始终严格按照顺序，暗示oviDN 对产卵行为的调控是ramp-to-threshold 机制，即神经元通过逐渐增强的活动独立调控不同的行为，这些行为具有不同的 threshold，且越在后面的行为越具有更高的 threshold。除此以外，本篇文章中还有一个针对 pC1神经元的实验。FAFB 的数据库中显示 SAG 只和 pC1 神经元中的 pC1a 神经元存在突触连接，pC1a 也是其他 pC1 神经元的上游。通过电生理证明 SAG 能够使pC1a神经元产生较强的超极化，使 pC1b 神经元有较弱的超极化， 对其它 3 对 pC1 神经元几乎没有影响。这一结果暗示，pC1a 神经元接受来自 SAG 的信号后，将信号再分享给其他 pC1 神经元，某种程度上说明了pC1神经元作为一个internal mating status的整合中心是如何工作的。

两篇文章解析了清晰、精确、简练的行为调控环路，且均涉及了两条环路（内在状态+外界环境）在下游神经元的整合情况。这些工作加深了我们对于神经环路构成方式和逻辑的理解。这提示我们，在现有的工具和技术发展下，环路研究早已不是单一的上下游神经元的关系，且一条通路上的上下游关系也已不足够，需要更为系统的关注反映不同意义的不同环路间的沟通和信息整合。同时，更好的应用那些花费巨大资源建立起的众多数据库也会令我们事半功倍。

有关影响行为的基因的研究

A sleep-inducing gene, nemuri, links sleep and immune function in Drosophila 是一篇讨论影响睡眠的基因的文章。nemuri是通过一个大规模（12,198 lines, 涉及8015 Drosophila genes）的 gain-of-function screen 筛出，其功能为过表达后增加果蝇睡眠的长度和深度。找到了基因，接下来研究基因的功能。通过序列分析该基因的结构域，预测它应该是分泌蛋白，且还包含一个具有抗菌肽特性的结构域。通过体外细胞实验证实了 NUR 是一个具有抗菌效果的分泌蛋白。之后作者推测，是否NUR 引起的睡眠增多是由于果蝇对抗外界细菌的宿主防御导致。实验证实，关灯后的第六个小时使果蝇感染细菌，在第二天的早晨，对照组果蝇相较于 nur 突变体显著增加睡眠，且感染细菌后的果蝇脑中，nur mRNA的表达量升高。之后作者想看 NUR 对睡眠行为调控的作用机制，即 NUR 和已知的研究较为清晰的睡眠环路之间的关系。通过制作 nur-Gal4 果蝇和抗体作者发现 NUR 通过作用于果蝇的扇形体促进睡眠。

遭遇细菌感染例如感冒的病人往往嗜睡，是我们日常生活中很熟悉的现象。曾经有非常多的研究报道了其中的相关性，而本篇文章是在机制上将细菌感染后的免疫应答反应和嗜睡联系在了一起。睡眠稳态的研究中，促进睡眠的基因本已罕见，其次nemuri编码的抗菌肽antimicrobial peptides (AMPs)在哺乳动物中存在保守性，意味着这个基因的研究结果极大可能具有普适性。生物学研究中，规模化的筛选（不论是基因还是神经元）往往是研究的第一步。本篇文章中作者选择gain-of-function的筛选方式，是以找到促进睡眠的基因为目的，这也提示我们筛选的方法非常重要。 

有关学习与遗忘的研究

Dopamine-based mechanism for transient forgetting. 这篇文章中作者阐述了瞬时遗忘这一种遗忘类型的神经环路。作者通过实验证实，由外界干扰（例如对果蝇电击、吹气、照射蓝光）导致的瞬时遗忘和之前研究的永久性内源遗忘不同，瞬时遗忘并不会影响记忆的存储，而只会影响记忆的提取。经历过一小时的恢复期后，果蝇会继续表现出很好的学习记忆现象。之后作者又继续找到了负责瞬时遗忘的脑区、PPL1-α2α’2神经元和参与的多巴胺受体DAMB，并通过功能性钙成像实验在分子层面上验证了之前的结论，即激活负责瞬时遗忘的神经元并不会抹掉之前形成的记忆。

另一篇发表在Cell上的文章Distinct Dopamine Receptor Pathways Underlie the Temporal Sensitivity of Associative Learning讨论的是联想记忆中，有关刺激顺序的不同如何导致相反的行为。这种记忆处理和输出，反应的是生物体面对复杂的环境时，如何根据事件发生的先后顺序而产生正确的因果联系，从而做出正确判断来规避未来的风险。作者使用的范式是在训练中改变气味刺激和多巴胺神经元强化的顺序，测试时观察果蝇对气味的反应（躲避或者追逐）。这一范式的优点在于类似小鼠的T-迷宫实验，可以对同一个实验对象重复训练测试。forward pair training: 先给苹果醋气味，隔段时间再激活PAM神经元（编码奖赏信号），测试时果蝇会被气味吸引。backward pair training：先激活PAM神经元，隔段时间后再给苹果醋气味，测试时果蝇会躲避气味。这暗示，在backward pair training中，果蝇形成了奖赏信号的停止和苹果醋气味之间的关联记忆，以致于在测试时，这种关联记忆抑制了之前forward pair training时形成的记忆和自身对苹果醋本能的偏好。即在backward pair training后，有关之前学习的联想记忆会被迅速重写，并且形成和之前效价相反的记忆。除了行为学以为，作者还搭建了一套可以同时观察神经元活动和果蝇行为的装置。功能性钙成像实验发现，不同的pair training方式会对下游神经元产生不同的效果，且这种效果由表达在同一个神经元上的两类多巴胺受体DopR1和DopR2介导。两类受体通过不同的第二信使使下游神经元去极化或超极化，从而产生不同的行为结果。

瞬时遗忘是生活中很常见的现象，例如提笔忘字或者话到嘴边却一时忘记。瞬时遗忘对于生物来说，也是一种非常重要的应激反应，可以使生物体集中精力应对当下更重要的事情。这篇文章不仅提取出了新的遗忘现象也研究清楚了机制。第二篇文章则是讨论了一种更复杂、高级的记忆处理方式，即生物体如何在记忆形成中感知事件发生的时序，从而应付复杂的环境。学习记忆领域经过多年的蓬勃发展，所研究的记忆现象越来越复杂。

有关肠道与神经系统互作的研究

肠道不仅是消化器官，也具有复杂的神经网络，被称为“第二大脑”。利用果蝇研究肠道与神经系统互作的工作近三年于CNS上共发表了4篇，其中3篇来自同一个实验室。4篇文章中，有2篇是针对受孕后雌果蝇的研究。Fitness trade-offs incurred by ovary-to-gut steroid signaling in Drosophila中报道，受孕后雌果蝇的子宫会分泌蜕皮激素作用于肠道，促进肠道干细胞的分化、增加肠容量。这一过程帮助雌果蝇更好的吸收食物中的营养，为生育繁殖储备能量。但是这种干细胞的分化同时极大的提高果蝇罹患肠道癌症的风险，降低其寿命。进化使得雌果蝇放弃一部分健康，为更好的繁衍种群让步。Enteric neurons increase maternal food intake during reproduction 中则揭示，交配后的雌果蝇会释放类固醇和肠内分泌激素，这些位于肠道的物质会作用于果蝇脑中的Ms+神经元。Ms+神经元在接受到来自肠道神经元的信号后，开始向果蝇的嗉囊（功能类似于胃）释放可以使之肌肉松弛的神经肽，最终增加雌果蝇的胃容量，以助其摄入更多的食物。这篇工作阐述了脑-肠轴之间双向通讯的方式，也讨论了雌性受孕后体内产生的一些生理变化的原因。

总结

发表在CNS上的文章特点有工作量巨大、使用较新的技术、实验流程和思路系统流畅、讲述的故事很完整。除此以外可能更重要的是，这些文章的立意并不局限于眼前解决的问题。神经生物学不同于动物学或者生态学，我们的目的不是理解我们使用的模式动物，而是为了通过利用合理的模型来解决更具有普适性的问题。这也提示我们在选择研究课题和方向之前，先问一问，通过我们的研究究竟想要回答什么样的问题，这些问题的解决对于理解科学问题本身、而不是模型动物自身有多大的推动。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2021-06-24 journal club PPT

-by 孙梦实

2021年6月24日，我们将进行2021年度第四次Journal Club，组织者为孙梦实，参与者有苏祥彬、金思慧。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：Why were these papers accepted by Cell&Nature&Science?

报告内容：我们选择了近三年发表在 CNS 上的以果蝇为模式动物研究神经行为学的文章，试图和大家一起领略、探讨高水平研究的风采。
12:00-12:30 孙梦实 Overview of selected CNS papers
12:30-13:00 金思慧 CNS papers about sleep
13:00-13:30 苏祥彬 CNS papers about feeding
13:30- 讨论

1．引言

本能行为如何产生和如何被调控一直是神经科学家很感兴趣的问题。本能行为主要受基因调控，很少或不依赖后天学习。我们以果蝇为动物模型，研究本能行为如何受基因调控。了解和认识基因的结构与功能对我们解析本能行为的神经环路和调节机制很有帮助，而Flybase (http://flybase.org/)就是一个能帮助我们了解基因功能的一个重要的数据库，对于我们的研究来说几乎不可或缺。

2．我们为什么需要数据库？

人类对基因的研究从很久之前就开始了，但随着测序技术的普及和基因组计划的推进，越来越多的实验室获取了多个物种的基因组序列信息。如何安全的储存这些信息成为了一个难题，因为这些数据不仅占据了大量的内存，还有在实验室之间交流时也无法快速的交换自己的信息。数据库的诞生就解决了这样的问题。数据库一般由一些比较大的机构或政府负责运行，它收录的所有已发表的序列信息以及用户自行上传的信息，而且可以同时将信息呈现给无数位在线的用户，并且也不用担心硬盘被盗或损坏导致数据丢失的现象。数据库的出现促进了生物信息学的发展，也促进了学者之间的信息交流。目前也有一些数据库专门收集了果蝇研究相关的信息供我们使用。FlyBase就是专门提供果蝇基因组序列信息的数据库。除此之外还有像可以查询果蝇神经元连接的数据库neuPrint，以及查询行为与脑区对应关系的工具BABAM，这些工具都为我们的研究提供了便利。

3．Flybase简介

FlyBase成立于1992年。在成立之初，由于技术还没有很发达，数据来源主要是已发表的研究和用户自己上传的数据，但现在随着第二代测序技术和基因芯片等技术的普及，以及基因组计划的进行，FlyBase的数据得到了进一步扩展。截止到2018年，FlyBase收集了共12种果蝇的基因序列信息。但现在由于运营经费等原因，只提供5种果蝇的序列信息了，其中也包括实验室最常用的的模式生物黑腹果蝇（Drosophila melanogaster），其他物种的信息予以保留但不再更新。此外，FlyBase作为专门为果蝇研究者服务的数据库，与其他的一级数据库相比，它提供的信息会以我们更熟悉的命名出现（如insulin在果蝇中被称为Drosophila insulin-like peptide，即dilp），可以节省我们对检索信息的筛选时间，更快的获取有用信息。

FlyBase主页主要由几部分组成。首先是在网页中心部位的Main Query Tools，它是FlyBase的快速检索工具栏，通过这个位置检索能迅速获得关于目标基因的定位、序列、功能、等位基因、同源基因、相关实验结果、stock、参考文献等信息。此外在基因查询的结果反馈页面还提供了跳转到其他数据库的超链接，方便用户通过其他数据库获取相关信息。

第二个重要的部分是位于主页最上方的常用工具栏，里边包括BLAST、GBrowse/JBrowse、RNA-seq、Vocabularies、ImageBrowse等工具。

BLAST全称Basic Local Alignment Search Tool，是一个基因序列查询工具，使用BLAST可以将你提供的序列与FlyBase所提供的49个物种的序列信息进行比对，找到同源基因或者分析它们之间的相似程度。

GBrowse是Genetic Model Organism Database(GMOD) Project开发的一个基于Web 的基因组浏览器工具，因其灵活的定制功能，而被广泛使用。目前有许多模式生物数据库使用GBrowse构建了自己的基因组浏览器，如小鼠、果蝇、NCBI的HapMap等等。GBrowse 基因组浏览器的基本功能是提供一个可视化的基因组浏览界面，该界面是一个以序列长度作为横坐标，以各数据项作为纵坐标的二维显示界面，目前支持基因组序列以及基因、SNP等常见注释数据的显示。

RNA-seq工具提供了多种服务用于目的基因的筛选。比如用户可以获得果蝇在特定生长阶段、特定组织中、特殊处理下以及某些果蝇细胞系中符合一定条件的基因表达，也可以检索到与输入的基因表达谱类似的基因，还可以获得目的基因不同外显子在不同发育阶段或不同组织中的表达情况。

Vocabularies工具可以对数据库中的信息进行筛选，使用户可以获得某一类型的信息，如在检索时选择了Gene Ontology(GO)，则只会获得基因本体论相关的基因注释，而不会获得其他像等位基因、stock、发育、解剖学等相关的信息，大大简化了结果输出界面，减少用户在不感兴趣的界面上停留的时间。

此外还有一些小工具，如ImageBrowse，可以用于查询FlyBase收录果蝇的各个组织及各个发育阶段的解剖图谱；Interactions Browse则可以查询与目的基因可能有互作的基因和蛋白；FlyBase的Human Disease Model Reports项目也为研究人类疾病模型的科学家和果蝇研究人员提供了对接窗口，帮助科学家们了解果蝇在人类疾病模型构建中的研究现状，还整理了致病机制及致病基因的同源基因等大量信息，使科学家能在最短的时间内检索到尽可能多的相关信息。

在FlyBase主页的左侧，还提供了一些果蝇相关的学习资源的外链接、相关会议通知以及一些出版物，在下方还有一些其他物种的数据库或基因比对网站，通过这些网址，用户可以自行了解感兴趣的信息。

4．结语

虽然FlyBase为果蝇研究者们整理并提供了更为精简的信息，但在用户使用体验上做得并不是很好。比如在Interactions Browse中提供的基因互作关系并不能通过超链接的方式跳转到提供References的页面，用户还需要自行检索；在RNA-seq Tools中，用户除了获得基因相对表达情况外也不能获得更深层的信息；FlyBase主页上很多外链由于更新不及时，点进去会出现无法显示该网页等情况。这些对于工程师来说应该是很好解决的问题（可能是经费短缺导致维护人员较少的原因），希望科研人员能多多支持FlyBase，以持续改进Flybase的各项功能，更好地为果蝇研究者提供服务。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2021-05-27 Journal club PPT

by马铭泽

2021年5月27日，我们将进行2021年度第三次Journal Club，组织者为马铭泽，参与者有陈洁、赵环。Journal Club的总结及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：FlyBase: a Database of Drosophila Genes and Genomes.

报告内容：

12:00-12:30 赵环 Overview and Main Query Tools.

12:30-13:00 陈洁 Genomic Search Tools and Browsers.

13:00-13:30 马铭泽 Interactions Browser and Other Tools.

13:30- 讨论

成熟的定义是什么呢？有人会说根据我国的法律规定，十八周岁以上即为成年人，认为十八岁就是成熟的标志。但或许在父母和导师的眼里，我们可能永远是个长不大的孩子。如果想要理解成熟这个概念，首先需要给成熟下一个定义，对于动物来说成熟主要指各个器官的形态和机能发展到完善的状态。其中青春期在成熟过程中十分关键，在此期间机体会发生很大的变化。在身体的形态和机能方面，体型会迅速增大，内部机能逐渐健全，各种器官功能趋于完善，特别是神经系统的发育接近成熟。在生殖能力方面，出现第二性特征，雌雄的差异性逐渐增大，生殖器官和生殖细胞迅速发育并趋向成熟。

一、激素调控成熟过程中的保守性

在生长发育过程中，类固醇激素对于发育阶段的转换起到十分关键的作用。在哺乳动物中，下丘脑-垂体-性腺轴的激活诱导的性腺类固醇激素分泌的增加标志着青春期起始，下丘脑中促性腺激素释放激素的分泌诱导垂体促黄体生成激素和促卵泡激素的产生。这两种激素通过循环系统到达性腺，刺激性腺中类固醇性激素的产生。因此，性激素水平的增加促进了青春期过程中身体形态特征和机能的成熟。

在果蝇的生长历程中，需要经历幼虫期、蛹期和成虫期。幼虫期间经历两次蜕皮使身体快速的生长，而到了蛹期后会经历变态发育形成形态和机能成熟的成虫。与哺乳动物相似，果蝇从幼虫发育到成熟的转变过程中由昆虫中唯一的类固醇激素——蜕皮激素的增加而引起的。蜕皮激素的合成也受到大脑神经元的调控，其中果蝇大脑中的促前胸腺激素神经元（PTTHn）通过分泌神经肽促前胸腺激素（PTTH）至前胸腺（PG），由前胸腺合成分泌蜕皮激素，蜕皮激素通过与核受体结合并启动各种靶基因的表达，协调生长、成熟和形态的变态过程来诱导发育的转变。因此，昆虫的促前胸腺激素神经元-前胸腺轴和哺乳动物的下丘脑-垂体-性腺轴在发育成熟方面起着类似的关键作用。

二、影响蜕皮激素分泌的因素

蜕皮激素在果蝇的生长发育中发挥着不可或缺的作用，那么有哪些因素影响蜕皮激素在合适的时机发挥作用，保证每次蜕皮和变态过程不会提前和滞后的呢？前胸腺作为蜕皮激素分泌的主要器官，并且作为调控蜕皮激素体内滴度的中央节点，它会通过整合不同的生理和环境信号来调控蜕皮激素的产生从而触发每次的蜕皮和变态反应。

1917年Stefan Kopec利用结扎实验探究花蛾的变态发育过程中，发现大脑会分泌一种激素，其对于花蛾幼虫的化蛹过程是必要的。几十年后被证实，这种大脑分泌的激素为PTTH，PTTH由大脑内PTTHn产生，分泌至血淋巴循环系统作用于前胸腺器官。PTTHn的失活将严重延缓幼虫的蛹化时间。同样，PTTHn也受到生理和环境信号的调控，比如节律神经元通过对PTTHn的调控来调节蜕皮激素的产生的节律，另外也有研究表明当幼虫中的成虫盘组织受到物理或者遗传损伤后，也会通过影响PTTH的产生，从而影响蜕皮和变态过程。所以大脑中PTTHn会整合、评估环境和发育的信号通过分泌PTTH来调控蜕皮和变态起始的时间点。

1934年Wigglesworth首次提出保幼激素(JH)是昆虫体内的一种维持幼态的激素，因为它可以防止由蜕皮激素引发的变态反应。在幼虫阶段，由分泌腺咽侧体（CA）分泌产生的保幼激素与蜕皮激素协调调控蜕皮过程，防止幼虫的提前变态，在蛹期，保幼激素滴度的急剧下降，而滴度急剧升高的蜕皮激素对蛹期变态过程的调控占据主导作用。保幼激素通过拮抗蜕皮激素来维持昆虫幼虫的保幼特性，并保证幼虫在合适的发育阶段引起变态反应。

幼虫的营养状态对生长、化蛹以及变态发育过程中也起到关键作用。在果蝇中，响应营养状态的关键调控因子是具有保守性的类胰岛素信号通路(IIS)，在营养条件适宜的情况下，果蝇分泌胰岛素进入循环系统，通过激活广泛表达的胰岛素受体来参与代谢和生长调节。通过遗传学的方法激活果蝇胰岛素信号将促进果蝇的蜕皮激素分泌并且提前幼虫的化蛹时间。相反，抑制果蝇的胰岛素信号将阻碍蜕皮激素的分泌，从而推迟幼虫的化蛹时间。另外，当环境中的营养条件不适时，前胸腺中mTOR信号会抑制蜕皮激素的产生，从而维持幼态，以促进幼虫体内积累足够的营养，为蛹期的变态反应做准备。所以，营养信号（胰岛素和mTOR）对幼虫生长和化蛹时间起到重要的调控作用。

三、激素在生殖能力方面的影响

果蝇卵孵化后要经历幼虫、蛹然后羽化为成虫。刚羽化出的果蝇，有着与成蝇相似的形态并且身体的各项机能也趋近成熟。但是，要想达到真正的成熟，生殖能力的完善是不可或缺的条件。这里的生殖能力主要包括两个方面，首先是生殖系统方面，生殖腺和生殖细胞的成熟是繁育后代的基础；另外在神经系统方面，求偶行为的成熟是成功交配的前提。

生殖系统方面，保幼激素和蜕皮激素在生殖成熟的过程中发挥着十分重要的作用。保幼激素通过结合特异性的胞内受体对许多涉及卵细胞成熟的过程进行调控。它诱导脂肪体中卵黄原蛋白的合成，促进卵泡上皮细胞间隙的产生，从而通过受体介导的内吞作用促进卵黄蛋白的摄取。在成虫期蜕皮激素会促进蜕皮触发激素（ETH）的产生，而ETH会通过作用于咽侧体上的ETHR来调控保幼激素的合成，从而参与到生殖细胞的调控。另外，有研究发现，蜕皮激素对于果蝇排卵过程发挥着重要的作用，与哺乳动物中孕酮对于排卵的功能类似。所以，激素对于果蝇生殖系统的成熟过程所发挥的功能是不可或缺的。

神经系统方面，雌性果蝇刚从蛹中羽化出来时在一定时间内不会接受交配行为，通过遗传学的方法对保幼激素信号进行干扰后，发现雌性果蝇拒绝的时间会被显著的延长。研究进一步发现，保幼激素通过改变雌性果蝇的信息素产生时间和特征，从而影响雌性果蝇接受交配的时间和吸引力。另外，有研究发现，蜕皮激素参与对雄性求偶行为的调控，当在雄性参与调控求偶行为的神经元中减少蜕皮激素受体的表达后，雄性成蝇的求偶模式发生显著的变化，表现出明显的同性恋表型。所以，激素对于交配时间和交配模式的调控也是十分关键的。

四、总结与展望

小时候的我们每天都会盼望着长大，随着年龄的增长，无意间就进入青春期了，青春期的我们不管是生理还是心理都不受控制的发生着变化，我们享受着这种长大带给我们的喜悦，但同时要适应身体日新月异的变化。个头慢慢变高的同时，我们的性格也变得叛逆，比较易怒甚至具有暴力倾向。更神奇的是，异性之间的差异越来越大，并且我们对异性变得异常的好奇和冲动。青春期的我们会对心爱的姑娘不计代价的进行追求，对情敌也会不计代价的进行竞争。青春期结束后一切可能又回归于平稳，身体和心智也都发育成熟，并繁育后代，随后慢慢走向衰老，最终完成自然界中生命交替的规律。

激素在以上的生命过程中发挥着关键的作用，但激素对成熟过程进行调控的机制还需要更为深入的的探究。果蝇作为一种模式生物，它的生长发育和成熟过程中同样受到激素的影响。激素参与到了幼虫到成虫的变态发育，以及成虫后的生殖系统和求偶行为的调控。以果蝇为模式动物，将极大的促进人类对激素功能的探究，从而促进对生物的生长发育的理解。

果蝇中激素的研究在近些年成果颇丰，但是目前仍有许多尚未解决的问题。以下是我感兴趣的但尚未解决问题：激素对于果蝇的性别决定是否具有与哺乳动物类似的功能？激素对于果蝇求偶行为的影响机制是什么？激素受体通过怎样的方式影响神经元的活性？能否通过改变激素信号来延缓衰老甚至返老还童？

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2021-04-29 Journal club PPT

by 王林

2021年4月29日，我们将进行2021 年度第二次Journal Club，组织者为王林，参与者为朱寰、李小龙。Journal Club的总结以及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：Hormone -The Only Way to Maturation

报告内容:

12:00-12:30：General Introduction for Research Progress of Hormone -王林

12:30- 13:00：Functions of Hormone on Growth and Maturation in Development – 李小龙

13:00-13:30：Juvenile and Ecdysteroid: the Reproduction Related-朱寰

13:30-    ：讨论

闻香真的可以识女人吗？——以果蝇为例聊聊信息素

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2021-03-25 Journal club PPT

by 蒋昕钰

2021年3月25日，我们将进行2021年度第1次Journal Club，组织者为蒋昕钰，参与人有孙梦实，马铭泽。Journal Club的总结以及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。
报告主题：Drosophila Pheromones: From Reception to Perception
报告内容：
12:00-12:30 蒋昕钰 Pheromones and Reception
12:30-13:00 马铭泽 Volatile- pheromonal information processing in olfactory system
13:00-13:30 孙梦实 Nonvolatile-pheromonal information processing in gustatory system
13:30- 讨论

衰老是由各种因素综合作用产生的 必然会发生、且依赖于时间的老化过程，这个过程会引起生物体结构与功能的渐近性衰退。然而，衰老的速度 具有可塑性 ，许多因素会改变生物体衰老的进程 。其中，昼夜节律钟驱动着生物体从基因到行为的不同层次的周期性活动 ，对于 它是如何 与 衰老过程 相互作用的 这一问题 引起了广泛的研究与关注 。在这次汇报中，我们首先介绍了利用果蝇作为模式生物研究衰老的原因及优势，以及衰老引起果蝇生理和行为节律特别是昼夜节律变化的研究；其次，介绍了衰老与昼夜节律相互作用的可能机制；最后，虽然衰老是不可避免 的，但是延缓衰老却是可能的，我们介绍了强化或加强昼夜节律系统减缓 衰老相关症状的研究。通过我们的介绍， 一方面 希望可以加强人们对于昼夜节律与衰老相互作用的认识， 对日常的生活能够有所帮助；另一方面，希望果蝇衰老 相关 的研究可以进一步拓展研究人员对于果蝇昼夜节律等行为的时间尺度上的认知。

完整总结见附件pdf：

2020-12-31 Journal Club 综述

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2020-12-31 Journal Club PPT

by 陈江涛

2020年12月31日，我们将进行2020年度第8次Journal Club，组织者为陈江涛，参与人有彭琼琳，苏祥彬。Journal Club的总结以及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：Aging and the clock: Perspective from flies to humans

报告内容：

12:00-12:30  陈江涛  Aging alters activity rhythms and circadian clock in D. melanogaster

12:30-13:00 苏祥彬  Study on the mechanism of interaction between aging and circadian rhythm

13:00-13:30 彭琼琳  Strengthening the circadian rhythm system mitigates age-related pathologies

13:30-         讨论

假设一下，你暗恋了许久的女神终于在某天答应和你一起出去吃饭了，可是你们在饭店的时候，遇到流氓邻桌“张三”先生。张三见你的女神风采不凡，直接做到女神旁边对其骚扰。此刻，抛去一切不必要的想法，你的内心只剩下什么？是不是有冲上去胖揍一顿张三的冲动？这个冲动很重要！“胖揍张三”也正是我们今天探讨的主题——打斗行为。

提起打斗行为，你脑海中想到的是深夜小巷里大打出手的醉汉，还是拳台上拳拳到肉的血脉喷张？没错，这些的确都是打斗行为，但打斗却不是人类的专属技能。打斗行为作为一种本能行为，普遍存在于动物界中。从低等的无脊椎动物到高等的脊椎动物，都会表现出各种形式的打斗行为，这也从侧面印证了打斗对于动物的生存是十分重要的。动物个体通过打斗来争夺食物资源，交配权和领地。在打斗中往往越具有优势的个体就越能适应环境，基因传递下去的概率也会越高，这也会使得其所在的种群后代具有更强的资源争夺的能力，在与其他种群和物种争夺的过程中获得更大的优势。但是，打斗行为一定是越强越好么？其实不然，俗话说物极必反，过度的打斗行为往往对于个体和种群都是有害的。当种群中个体消耗过多的能量来进行内部斗争时，那么不仅会带来伤病，同时也会使其觅食的能力和时间减少，这会使得他们在自然选择的过程中处于不利地位。所以适度在这里显得尤为重要。

打斗行为作为动物生存必不可少的一项重要技能，研究其发生和调控机制自然是十分必要的。这不仅可以丰富人类的知识宝库，也可以拯救那些暴力犯罪者。那么应该怎样去研究动物的打斗行为呢？科学家们并不是一股脑的把所有动物的打斗行为都去研究了一遍，这样不仅耗时耗力，也无法深入研究。他们把研究的精力主要集中在了几种模式动物上，从果蝇到小鼠再到更高等的猴子。通过模式动物研究打斗不仅可以集中研究精力，还可以利用模式动物所具有的完备的基因组，蛋白组信息网络以及丰富的遗传学工具和成熟的实验操作流程。由于打斗行为的保守性，研究得到的结论往往也是适用于其它动物的。在这里我们就以果蝇中的打斗行为研究为例来介绍科学家们的研究历程。

果蝇是我们身边常见的一种小昆虫，你往往可以在家里的垃圾桶，街边的水果摊发现它们的踪迹。水果是它们的最爱，因此它们成为了果农伯伯们的一生之敌，是一种臭名昭著的农业害虫。但是对于科学家们来说，它们却是不可多得的“小可爱”。其易饲养，繁殖快的特点使其成为了做研究的“上品”。第一个利用其做生物学研究的正是赫赫有名的现代遗传学之父Morgan教授。但是最早发现果蝇打斗行为的却不是摩尔根，而是他的学生Sturtevant。1915年，他在观察两只雄性果蝇对一只雌性果蝇求爱的实验中发现了两只雄性果蝇之间会出现打斗行为，于是便把这一现象记录并发表出来，这也是最早的关于果蝇打斗行为的记录。而在此后很长的一段时间，就再无关于果蝇打斗行为的报道。直到19世纪80年代，Hoffmann教授发表了一篇关于影响果蝇打斗行为的因素的文章，主要介绍了年龄，体型，生活环境等因素对于果蝇打斗行为的影响。但是这些研究都仅仅停留在了行为层面上，没有进一步的深入研究。真正开启果蝇打斗行为机制研究的当属哈佛大学的Kravitz教授，他从2002年开始进入果蝇打斗研究这一领域，而此前他的主要研究内容是龙虾的打斗行为。Kravitz等人发现两只雄性果蝇为了争夺食物、领域以及配偶而发起的攻击行为是有固定的模式的。这些模式包括低水平的攻击行为的靠近、翅膀威胁，还包括刺突、熊抱、拳击、扭打等高水平的攻击行为。而雌性果蝇的攻击性比较低，攻击的模式也比较少，除了偶尔表现出类似雄性果蝇的刺突行为之外，更多的是以撞头行为。果蝇打斗行为的另外一个明显的雌雄差异是，雄性果蝇之间的攻击行为会分出输赢关系，胜者会不停的追逐败者，并向其发起攻击，将其赶出食物区域；而雌性果蝇的打斗行为不会形成稳定的输赢关系。而这种行为模式的二态性是由性别特异性转录的fruitless (fru) 基因控制的。fru基因会在雄性果蝇中表达出雄性特异的FRU^M蛋白，而在雌性中并未发现有相对应的蛋白产物。当他们在雌性神经系统中表达FRU^M蛋白时，发现原本雄性特有的打斗模式都出现在了这种雌蝇上。这进一步说明了fru对于雌雄打斗行为二态性的调控。也正是因为雄蝇的打斗表型相较于雌蝇的更加明显，所以后续对于果蝇打斗行为的研究也主要集中在雄蝇上。

打还是不打？这是个问题。打斗行为作为一种先天就刻在DNA里的本能行为，它并不是一成不变的，而是受着一系列的外界因素调控。2005和2008年，Ferveur和Anderson相继提出社会经历对于果蝇打斗行为的影响。经过社会隔离的雄蝇会对其它雄性体表的信息素cVA的敏感性不同，在果蝇中，嗅觉受体OR67d介导cVA短时程感知，OR65a介导cVA的长时程感知。当两只隔离的雄蝇相遇时OR67d会更加容易被cVA激活，从而引发打斗行为。而群养的雄蝇由于OR65a受体长期被激活，所以会抑制其打斗行为。

除了信息素的影响，食物和潜在交配对象也会影响雄蝇的打斗水平。在一定的范围内，雄蝇的打斗水平随着食物绝对营养含量的增大而升高，当食物的量和面积达到一定程度时，果蝇的打斗水平会出现下降。果蝇通过味觉受体Gr5a来感受食物中的糖分含量来决定是否打斗。相较于“蝇为食亡”，还有一个更加罗曼蒂克的现象，即“骑士精神”。当雄蝇接触到未交配的雌性时，他们的打斗水平会明显增加，只为击退“情敌“，抱得美人归。

打斗行为除了受上述的外界因素影响外，也会受到神经系统内多种神经分子的调控。这其中主要包括胺类神经递质和神经肽。目前已报道的有章胺，多巴胺，五羟色胺可以增强雄蝇的打斗行为。神经肽NPF可以抑制果蝇的打斗行为。特别值得一说的是，Anderson实验室发现的速激肽（TK）可以特异的调控雄蝇的打斗。并且这种对于打斗水平的上调不依赖于食物，体型等外界因素，这也表明TK神经元可能处在较为下游且调控着果蝇的攻击唤醒行为。

看了这么多科学家的研究成果，你是不是更加了解自己了呢？我们作为自然的一员，自然是要顺应自然的法则。物竞天择，适者生存，热爱生活，“胖揍张三”。

本次journal club的 slides 见附件pdf：

2020-12-3 Journal Club PPT

by 高灿

2020年12月3日，我们将进行2020年度第8次Journal Club，组织者为高灿，参与人有纪小小，韩彩虹。Journal Club的总结以及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：Neuromodulation and Strategic Action Choice in Drosophila Aggression

报告内容：

12:00-12:30  高  灿 Overview of The Drosophila Aggression Study (History, Study paradigm, etc.)

12:30-13:00  纪小小 Strategic Action Choices in Drosophila Aggression

13:00-13:30  韩彩虹 The winner and loser effect in Drosophila

13:30-         讨论

社交活动是高度整合了外界信息与内在状态的一种种间交互的运动，融合了动物体的多种本能行为，社交活动中既存在竞争也存在互助，对于社交互动的研究也有助于理解情绪相关的多种心理状态的生化基础，那么David Anderson作为业界大牛是如何对这一问题展开研究的呢？本次的journal club我们对Anderson的研究经历做了一次小小的回顾。

首先基于二十一世纪初，对于果蝇多种本能行为的研究的基础上，David Anderson展开了果蝇行为全自动化分析平台的建设，基于三维定位，图像捕捉，动作鉴定，机器学习等工具，建立了果蝇行为的高通量全自动分析；与之同一思路指导下，也建立了小鼠行为的全自动分析平台。在这两个平台的辅助下，Anderson团队对于果蝇和小鼠的社交行为参与基因和主要脑区进行了大规模的筛选，对于模式动物行为学的认识有了更深的理解。

从果蝇到小鼠的跨物种研究证明调控社交行为的脑区高度交织在一起。在果蝇和小鼠中分别鉴定出一类神经元能整合各种外在感官刺激和内在状态，并调控两种对于雄性来说重要的本能社交行为——同性间的攻击和异性间的求偶。果蝇中雄性特异的P1神经元在低激活水平诱导攻击，在高激活水平诱导求偶；而小鼠中性别二态性的ESR1⁺VMHVL神经元在低激活水平诱导求偶，在高激活水平诱导攻击。这种等级控制可能是调控社交行为的细胞群的普遍特征。但是在激活强度升高的过程中，无论是被激活的细胞数目，还是每个细胞的平均活动水平都有显著增加。因此解析是相同神经元通过不同的活动水平还是相互抑制的不同的神经元调控多种社交行为是未来重要的研究方向。

在鉴定出主要脑区和神经环路后，Anderson团队将研究焦点聚焦于社交的影响。社交可以使本能的行为得到强化，比如多日连续的打斗可以使小鼠的攻击性更强；社交也可以使一些本能行为变得更为精确，比如与多次与雌性和雄性的社交行为可以使小鼠对雌性的mounting行为更多，对雄性的aggression更强；而且，社交能改变小鼠的内在状态，改变小鼠的行为反应，比如多日社交可以减弱小鼠对压力的应激反应。

通过这次的小小回顾，希望对大家的研究思路有所启发！

-by 赵环

（本次journal club的 slides 见附件）

2020-10-29 Journal club PPT

2020年10月29日，我们将进行2020年度第7次Journal Club，组织者为赵环，参与人有蒋昕钰，朱寰。Journal Club的总结以及报告内容（Slides）将在会后张贴出来。

报告主题：David Anderson‘s research route on social behavior

报告内容：

15:00-15:30  赵环  The definition and analysis approach of social behavior

15:30-16:00  蒋昕钰 Dissecting the brain circuit of social behavior

16:00-16:30  朱寰  Controlling of social behavior on molecular level

16:30-       讨论

本次journal club我们以果蝇的产卵为主题，系统讲述了果蝇产卵行为的发生和调控。内容主要分为以下三个部分。

1，The physiological basis for flies to lay eggs

动物的繁殖行为的正确进行是生命得以延续的基础，现在我们以果蝇为模式动物研究产卵行为的发生及调控。果蝇的产卵的发生大致分为五个步骤。其中卵巢是卵子发生的产所，姐妹细胞在卵巢经历14个不同的时期后，最终转变为成熟的卵母细胞并停留在减Ⅰ中期；在雄性精液蛋白ovulin的刺激下将卵排出卵巢进入输卵管，在该阶段完成卵子的活化，为胚胎的发育做好准备；随后从输卵管进入受精的场所-子宫，子宫将卵子固定在合适的位置便可与接受的精子进行受精过程。受精后果蝇便可进行卵的沉积。

2，Negative modulation of egg-laying in Drosophila

果蝇的产卵受到多方面因素的调控，其中天敌、产卵基质的特性和果蝇的内在状态等是抑制果蝇产卵的主要因素。在面对摄食卵的天敌时，雌蝇会作出相应的应对，如通过嗅觉环路感知拟寄生物的化学信号从而完成躲避过程。在感知黄蜂这一天敌时，视觉起到了主导作用，并且天敌信息可以通过视觉传递给其他果蝇。这种视觉信号可能是通过诱导卵巢细胞凋亡来抑制产卵的。雌蝇会通过感知外界环境决定产卵地，而有些产卵环境并不利于果蝇产卵，如含糖环境、有菌环境等。

3，Positive modulation of egg-laying in Drosophila

雌蝇在交配后，会表现出明显的post-mating behavior，主要有产卵量增加、拒绝求偶和生命周期减少等。其中雌蝇的产卵量主要依靠Sex Peptide来调节，该物质由雄蝇的附属腺合成，在交配时伴随精液进入雌蝇,并与雌蝇的Sex Peptide Receptor（SPR）结合, SPR在ppk神经元中表达，是SP诱导交配后产卵增加的必要和充分条件。相似的，外界环境也可以促进雌蝇产卵。雌蝇在产卵时会根基产卵基质的性质进行特定选择，如选择合适浓度的酒精、乙酸、苦味剂等，这些都说明了雌蝇会通过抉择直接或间接的保护后代。

-by 苏祥彬

（本次journal club的 slides 见附件）

2020-09-24 Journal club PPT

2020年9月24日，我们将进行2020年度第6次Journal Club，组织者为苏祥彬，参与人有金思慧，邢丽敏。Journal club的总结以及报告内容（Slides）会在会后张贴出来。

报告主题：The oviposition behavior in Drosophila

报告内容：

15:00-15:30 苏祥彬   The physiological basis for fruit flies to lay eggs

15:30-16:00 金思慧  Negative modulation of egg-laying in Drosophila

16:00-16:30 邢丽敏  Positive modulation of egg-laying in Drosophila

16:30-      讨论

蕈状体(mushroom body)是节肢动物大脑中的一个重要的结构。它是一个对称的结构，位于大脑中央，略在嗅球背侧，中央复合体外围。其形状与蘑菇有些相似，故被称为“蘑菇体”或者“蕈状体”。蕈状体是一个极有研究意义的对象，已有研究使用分子遗传手段发现蕈状体和哺乳动物的大脑皮层同源，蕈状体或许就是了解人类自身的捷径之一。

蕈状体约有2500个细胞，包括至少三类神经元：KC细胞（kenyon cells）、蕈状体输出神经元（mushroom body output neurons，MBONs）和投射至蕈状体的多巴胺能神经元（dopaminergic neurons，DANs），其中DANs与MBONs的胞体均位于蕈状体之外。KC细胞在蕈状体中分为了两个方向不同的叶，分别是：垂直叶（vertical lobe）与内侧叶（medial lobe）。而这两个叶又可以细分成ɑ叶、ɑ’叶、β叶、β’叶、γ叶，它们与不同的DANs和MBON相连，承担了不同的功能。

蕈状体在嗅觉学习记忆中发挥着重要的作用，不论长时程记忆还是短时程记忆均有参与，但主要负责嗅觉记忆。根据已有的研究，在蟑螂与蜜蜂等昆虫中，蕈状体还与视觉记忆等有关。除了一般的记忆之外，蕈状体还参与了睡眠、行走、求偶等行为的调控。

本次的journal club分为了三个部分：

1. Structure of mushroom body

介绍了蕈状体的结构、输入和输出，蕈状体如何整合信息，以及蕈状体的各部分负责什么功能。

2. How MB engages in memory？

介绍了蕈状体中长时程记忆如何生成，蕈状体的循环环路，一些重要的MBONs和DANs以及其表达的效价，还有内在状态对记忆的影响。

3. beyond classic memory

介绍了蕈状体对决策行为、睡眠、行走等行为的调节，还介绍了无强化信号的非传统的学习。

最后，我们根据文献和综述，总结了蕈状体的功能：蕈状体主要负责习得信息和编码了效价的本能信息之间的配对。在配对之后，各种中性的信息通过蕈状体可以像本能的信息一样调节各种行为。或许因此，蕈状体才可以调节如此多的行为。

蕈状体是近年果蝇神经学研究的热点之一，本次journal club只是介绍了一些关于蕈状体的皮毛，希望可以引起大家对蕈状体的兴趣。

-by 朱寰

（本次journal club的 slides 见附件）

2020-08-27 Journal club PPT

2020年8月27日，我们将进行2020年度第5次Journal Club，组织者为朱寰，参与人有王林，马铭泽。Journal club的总结以及报告内容(Slides) 会在会后张贴出来。

报告主题:Mushroom body

报告内容:

14:00-14:30 马铭泽 MB structure

14:30-15:00 王林 How does MB engage in memory？

15:00-15:30 朱寰 What can MB do in other aspects？

15:30-讨论

肠道，与大脑的沟回结构类似，因为拥有庞大的菌群和超过一亿个神经元，被称为人体中的第二个大脑。那么，大脑和肠道到底是以某些方式形成和谐的交流的呢？肠脑轴这个环路对于机体的行为又会有什么影响呢？

大脑对于肠道的调控除了交感神经和迷走神经之外，还可以通过HPA轴对于肠道的通透性产生影响。通过外界环境的刺激产生的精神压力作用于大脑的中枢神经系统，即通过top-down regulation的下行调控，对于胃肠动力，肠粘膜通透性和信号分子在肠腔内的释放等都有影响。反之，肠道对于大脑的调控也同样重要。目前已知的肠道可以生成超过30种神经递质，基本上都是通过肠道内分泌细胞合成的。除此之外，肠道可以通过迷走神经给大脑发送信号。还有常见的HPA轴，细菌的代谢物，免疫信号等一系列从肠道作用于大脑的信号机制。用通俗的话讲，精神压力可以造成肠道菌群的紊乱，而肠道失衡同样可以影响大脑的正常功能。

在小鼠和果蝇两种不同的模式生物体中，肠脑轴对于社交行为，摄食行为，学习记忆以及情绪等都有深刻的影响。肠道菌群的变化可以导致大脑功能的改变，进而影响宿主的行为，比如焦虑、抑郁和认知功能损伤等等。最近的一些研究也发现，抑郁症患者、帕金森病患者和精神分裂症患者的肠道菌群与健康人群明显不同，将抑郁症患者、帕金森病患者与精神分裂症患者的粪便细菌分别转移至无菌小鼠肠道中后，这些无菌小鼠会分别表现出类似抑郁症、帕金森病和精神分裂症的症状。

大脑产生的信号能够影响微生物组的构成，而微生物分泌的化学物质又能够反过来塑造大脑的结构。这是我们身体的神奇之处，随着肠脑轴的深入研究，其重要性可能会颠覆我们的认知。这次的汇报只涉及到了这个重要领域的一小部分，希望能给大家带来一定启发。

-by 金思慧

（本次journal club的 slides 见附件）

2020-07-30 Journal club PPT

2020年7月30日，我们将进行2020年度第4次Journal Club，组织者为金思慧，参与人有王林，马铭泽。Journal club的总结以及报告内容(Slides) 会在会后张贴出来。

报告主题: The bidirectional communication between brain and gut

报告内容:

14:00-14:30金思慧 The signal mechanism regulating Gut-Brain Axis

14:30-15:00马铭泽 The Gut-Brain regulation of behavior in mice

15:00-15:30王林 Physiological function in Drosophila through Gut-Brain communication

15:30-讨论

为什么要睡觉？这是长久以来困扰科学家们的一个问题。睡眠在一定程度上是由生物钟调节的，它确保了适当的睡眠时间，同时睡眠也受到诸如睡眠压力、食物供应和社会环境等因素的调节。与昼夜节律研究的悠久历史相比，D. melanogaster的睡眠研究相对较近，始于2000年发表的两项研究，并且其睡眠与其他生物的睡眠非常相似，在鉴定调节睡眠的基因和神经环路等研究中发挥了很大的作用。

在这里，我们讨论了睡眠和求偶之间的相互影响，果蝇睡眠的神经环路，睡眠剥夺后的自我平衡机制等。例如雄性会因为雌性及信息素的原因保持sexual arousal的状态导致睡眠时间的减少，睡眠剥夺会损伤雄性果蝇的求偶能力，雌果蝇在交配后会花费更多的时间寻找食物和产卵地点从而降低睡眠时间等等。

但对目前的研究来说也存在很多悬而未决的问题，如：雄性果蝇在与雌性群养导致的睡眠剥夺后为什么不需要sleep rebound？雌性睡眠剥夺后接受能力为什么基本不受影响？科研人员把post-mated雌性睡眠时间的减少理解为资源需求的驱动，但其背后的分子和神经环路调控机制是什么？

目前关于睡眠的研究所揭示的不过是冰山一角，本次汇报更是其中的一隅，更多有趣有意义的现象及其背后的神经机制等待大家的探索。

-by  邢丽敏

（本次journal club的 slides 见附件）

2020-06-24 Journal club PPT

（我们终于开学了。。。）

本次 journal 旨在向大家介绍更多样的神经元间信号传递的方式。

1. 对比了神经递质和神经肽的所在囊泡类型、合成和分泌上的区别。神经肽的释放需要胞内有更多弥散的钙离子。当动作电位频率较低时，突触末端的 active zone 的钙离子浓度足以促使神经递质释放，但为了维持胞内钙离子浓度的稳定，钙离子会很快被泵出。只有当动作电位频率较高，钙离子泵入前膜神经元的速率高于其泵出速率时，胞内钙离子浓度才会维持在较高水平，从而促使神经肽释放。
2. 神经元通过分泌神经递质传递信号。现在我们知道：1）大多数神经元都表达多种神经递质或神经肽，而不仅仅是一种神经递质。2）通常一个神经元在它所有的突触上都释放同样的神经递质。但是，目前已经发现，一些神经元会在它不同的突触部位，释放不同的神经递质。3）神经元的神经递质表型可以改变。很多神经元在它发育形成的过程中，和发育完成之后，可能释放不同的神经递质；在不同的环境和生理变化中，神经递质的表型也可能会发生转变。 发育过程中的递质转换依赖于细胞自主的电活动或者外界生长环境的刺激，成年后的神经系统中的递质转换一般是作为对环境变化的适应或一些疾病的症状。这些认识对理解神经系统的功能非常重要，因为它们，使得神经环路增加了复杂性和可塑性潜能。
3. 神经元之间的信号传递除了突触前后的神经元以外，胶质细胞也发挥了不可忽略的作用。由突触前后神经元和胶质细胞一起组成tripartite synapse。胶质细胞和神经元之间不通过形成synapse或 gap junction沟通，而仅通过很近的物理距离进行互作。胶质细胞包裹住神经元，通过对神经递质进行重吸收，来调节神经元的信号传递。例如胶质细胞参与对果蝇节律的调节，就是通过参与多巴胺的代谢循环从而参与多巴胺神经元的活动。在胶质细胞中，表达NaChBac和shibire都可破坏果蝇的节律，表明胶质细胞可以被兴奋，且可能通过调节突触部位的神经递质浓度参与节律的调节。

-by 孙梦实

（本次journal club的 slides 见附件）

2020-05-28 Journal club PPT_compressed