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：
-by 孙梦实