果蝇 “神经指挥官”：揭秘下行神经元如何操控复杂行为
在昆虫世界里，果蝇虽小，却拥有一套精密的神经系统，能完成行走、飞行、求偶、梳理等一系列复杂行为。而在这套神经系统中，下行神经元扮演着 “神经指挥官” 的核心角色，它们连接果蝇的大脑与腹神经索，如同传递指令的 “专线”，将大脑整合的感官信息转化为具体的运动指令。今天，我们就来揭开下行神经元的神秘面纱，看看它们如何让果蝇灵活应对世界。
一、什么是下行神经元？—— 连接大脑与运动的 “关键桥梁”
要理解下行神经元的作用，首先得明确它的 “身份定义”。根据 2018 年Namiki 团队在《eLife》上的研究，下行神经元是一类特殊的神经细胞：它们的胞体位于大脑，轴突则穿过果蝇头部与胸部之间的 “颈部连接”，直达腹神经索。简单来说，它们就像大脑伸向运动中枢的 “手臂”，负责把 “做什么” 的决策，传递给 “怎么干” 的执行系统。从数量上看，果蝇大脑约有 13 万个神经元，腹神经索约有 2.2 万个神经元，但下行神经元仅有约 1328 个，这意味着这 1328 个 “指挥官” 要压缩和传递大量信息，是果蝇神经系统中名副其实的 “信息瓶颈”。
科学家通过染料填充、荧光蛋白标记、电镜连接组学等多种技术，逐渐绘制出下行神经元的蓝图。研究发现，果蝇的下行神经元中，胆碱能神经元（释放乙酰胆碱，兴奋性）和 GABA 能神经元（释放 GABA，抑制性）各占约 38% 和 37%，两者数量几乎持平。这种平衡的设计，能让果蝇灵活调控行为，比如在 “逃跑” 和 “静止” 之间快速切换：兴奋性神经元驱动腿部伸展以启动逃跑，抑制性神经元则抑制多余动作，避免行为混乱。此外，还有少量使用谷氨酸、章鱼胺、五羟色胺等神经递质的下行神经元。
从形态上看，下行神经元主要分为两类。“指令型” 神经元：这类神经元多为单独的双侧对称对（如 DNp01、MDN），轴突投射精准，功能专一。它们就像 “紧急指令按钮”，能触发快速、刻板的行为。比如 MDN 神经元被激活时，果蝇会立刻启动 “倒车” 模式，向后行走以避开障碍；而巨型纤维神经元（DNp01）则负责触发紧急逃生跳跃，反应速度快到毫秒级。“群体型” 神经元：这类神经元以小群体形式存在（如 DNg02 家族有 15 个相似神经元），形态相近但连接略有差异。它们不负责 “一键触发”，而是通过 “群体活性” 实现精细调控，比如飞行时，DNg02 神经元群体通过激活数量的多少，调节翅膀的拍动幅度：激活的神经元越多，翅膀扇动越有力，果蝇就能更快调整飞行高度或转向。
二、下行神经元如何操控具体行为？
不同的下行神经元对应不同的行为，它们就像一本 “行为指令手册”，每一页都记录着特定的 “任务代码”。
在果蝇的行走过程中，前进、后退、转弯的行为调控各有 “专属指挥官”。MDN 神经元充分介导果蝇的后退反应。在不同的环境下（靠近的视觉刺激，或腿部触碰到障碍物，或闻到厌恶气味），MDN神经元会整合视觉、触觉和嗅觉信号，向腹神经索发送 “后退指令”。更精妙的是，MDN 不直接控制腿部肌肉，而是通过激活腹神经索中的premotor 中间神经元（LBL40、LUL130），分别调控腿部 “支撑期” 的蹬地动作和 “摆动期” 的抬腿动作，让后退步态流畅协调。果蝇的转向行走由 DNa02 和 DNg13 两个 “搭档” 分工完成。DNa02 接收大脑 “中央复合体” 的目标导向信号，负责小半径转弯，它会缩短内侧腿的步长，降低前进速度，让果蝇快速调整方向；DNg13 则接收视觉和嗅觉信号，负责大半径 “平滑转弯”，它会延长外侧腿的步长，保持前进速度，避免果蝇因转弯而减速。还有BB，FG和BRK这三类下行元可以精准调控果蝇不同条件下的制动反应。
飞行是果蝇最复杂的行为之一，需要多个下行神经元协同工作，同时科学家们发现介导飞行的下行神经元基本上是完全独立于行走的。当视觉系统检测到 “逼近的威胁”（如快速扩大的阴影）时，兴奋性DNae014和抑制性DNb01神经元协同作用，发挥同侧抑制对侧激活的效应，触发准确的转向方向。DNp10 是 “降落指挥官”，具有状态依赖的功能效应。只有当果蝇处于飞行状态时，DNp10 才会对地面视觉信号（如条纹图案）产生反应，发送 “腿部伸展” 指令，让果蝇平稳着陆；如果果蝇处于静止状态，即使有相同的视觉信号，DNp10 也不会激活，一定程度上避免了果蝇在地面上 “无意义抬腿”。
三、复杂行为的模块化控制。
对于求偶、梳理等包含多个步骤的复杂行为，下行神经元采用 “模块化控制” 策略，把大行为拆成小 “动作模块”，再逐一调控。雄性果蝇的求偶包含追逐，唱求偶歌，licking和腹部弯曲四个步骤，由不同下行神经元 “分步指挥”：pIP10 神经元负责触发求偶歌（翅膀振动产生的声音）；aSP22 神经元则像 “进度条”，随着它的 firing 频率升高，果蝇会依次启动 “伸吻”“腹部弯曲” 等后续动作，确保求偶流程有序进行。同样，在果蝇的梳理过程中，DNg12 神经元会激活 “头部清扫” 和 “前腿擦拭” 两个模块，让果蝇先清扫头部，再用前腿擦拭触角，动作连贯如同 “自动化清洁程序”。
这些长度仅几十微米的下行神经元，是果蝇应对复杂世界的 “智慧核心”。通过研究它们，科学家不仅能破解昆虫行为的神经机制，更能为理解人类运动控制、甚至神经疾病（如帕金森病的步态障碍）提供参考。毕竟，从果蝇的 “后退行走” 到人类的 “优雅转身”，背后都是神经系统 “感知—决策—执行” 的通用逻辑，而这些微小的 “神经指挥官”，正是解开这一逻辑的关键钥匙。
本次journal club的 slides 见附件pdf：
by 金思慧、梁子健、陈东亮