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：
by 朱寰