Cell：动物社交——嗅觉提示和感知的重要性

嗅觉感知（olfactory perception），即“一个开始于鼻腔对高级大脑中枢的嗅觉感觉神经元的刺激的过程，当它被激活时，使我们有意识地感受到一种气味”，对生存至关重要。自然环境确实充满了气味，这些气味使动物能够找到食物来源、识别配偶或躲避捕食者。

嗅觉赋予动物感知周围环境中物体空间信息的能力，对灵长类动物视觉皮层的研究显示，腹部通路和背部通路负责对物体的识别（是什么）以及对空间的感知（在哪里）【1,2】。视觉上对这两种信息处理的分离是可以理解的，因为运动（motion）和同一性（identity）是物体的两种独立特征，我们对物质的感知必须分别提取持续性的（同一性）或者随时间变化的（运动）感知信号。这种分离的处理策略已经在视觉中得到了广泛的研究，但对于其在全面的突触分辨环路调控中的作用，还未得到深入的阐释。

嗅觉提示是动物社交中的关键信号机制。比如，雄性果蝇产生的cVA（cis-vaccenyl acetate），是一种低挥发性信息素，它是一种雌性果蝇的催情剂，也可导致雄性间的攻击行为【3,4】。cVA是一种研究最多的信息素，它在雄性果蝇体内合成，交配时传入雌性果蝇体内【5】。但目前对于其在果蝇社交行为中发挥的作用还不清楚，cVA什么时候以及在哪儿发挥作用需要更深入的研究。

近日，来自英国剑桥大学MRC分子生物学实验室的Dana S. Galili和Gregory S.X.E. Jefferis团队在Cell发表了 Generating parallel representations of position and identity in the olfactory system ，研究人员对果蝇信息素介导的嗅觉感知机制进行了深入的研究，发现果蝇嗅觉神经元能够通过信息素进行物质识别和空间位置的感知，这种能力促进了果蝇在社交行为中的表现。

研究人员首先通过两个电子显微镜连接组学数据库追踪对cVA响应的嗅觉受体神经元（olfactory receptor neurons, ORNs）下游通路。除了已知的单个嗅小球DA1侧向投射神经元（lateral projection neurons, IPNs）和抑制性腹部投射神经元（projection neurons, PNs）之外，研究人员还发现了一个腹外侧谱系单个嗅小球，命名为DA1 lvPN。这个神经元接收了90%的Or67d ORNs投射，和IPNs类似，它将cVA信号中继到侧角叶（lateral horn, LH），但是绕过蘑菇体（mushroom body）的联想学习中心，投射到上位中前脑区（suprior intermediate protocerebrum, SIP）。IPNs和lvPNs形成平行的cVA兴奋性反应通路。

研究人员检测了这两个通路对性行为的影响，发现lvPN的激活促进了交配率，提高了雌性果蝇的接受性，而IPN的活化对于雌性果蝇的性行为没有影响。在雄性果蝇中，通过光遗传学激活IPNs或者lvPNs都会导致雄性果蝇与雌性果蝇的交配率下降。同时，IPN（而非lvPN）的活化也降低了雄性果蝇和雄性果蝇之间的求偶行为。激活lvPN则会导致雄性果蝇与雄性果蝇之间的攻击行为。

接下来研究人员发现，DA1 ORN, IPN和lvPN轴突神经元钙信号的激活与接收cVA的浓度以及距离密切相关。ORNs的激活距离为5 mm，并且在此范围内，随时距离的减少，激活信号增强。与之不同的是，IPN的激活约在1 mm左右达到平稳，而lvPN的反应在5 - 2 mm内增加比较缓慢，但从2 mm - 0.25 mm则急剧增加，且不会饱和。如果在距离观测雌性果蝇触角0.75 mm的地方持续给cVA刺激10 s，那么ORNs的响应会比IPNs更晚达到峰值，IPNs对这种持续性刺激表现出更强的适应性。而DA1 lvPNs也比IPNs更晚达到响应峰值，但DA1 lvPNs却在10 s的刺激过程中没有表现出适应性。

进一步的研究显示，在雌雄果蝇的交配行为中，cVA的浓度反映了位置信息，影响了雌雄果蝇的交配行为。当雄性果蝇在雌性果蝇前边时，雌雄果蝇都出现了多次的转向移动。而当雌性果蝇的右边触角被去除，雄性果蝇处在雌性果蝇完好触角那一侧时，雌雄果蝇也发生了多次转向移动。单侧触角的去除会导致不对称行为表型的产生，观测果蝇的两个触角会产生一个可检测的cVA空间梯度。当雄性果蝇在雌性果蝇的左边或者右边时，雄性果蝇靠近的那一侧触角，ORN的信号比另一侧的更强。

虽然ORNs能够被同侧的雄性cVA激活，但ORNs投射并不仅限于同一侧脑区，而是会投射到整个脑区，因此研究人员通过抑制单侧触角对此进行了深入的探索，发现仅记录观察半球区的ORN时，同侧刺激引起的反应依然很大，但Or67d ORNs的基础信号并没有改变。不过，当记录对侧ORN信号时（抑制同侧的触角），研究人员观察到对侧雄性反应更大。双侧信号对比不同源于刺激距离不同引起的ORN信号水平的差异。

接下来研究人员对ORN信号如何被PNs处理进行了深入研究，发现同侧雄性刺激会引起IPNs和lvPNs更强的反应，两种投射神经元会从同侧ORN轴突中接受更多的突触。当在两侧都放置雄性果蝇时，抑制对侧触角会降低对同侧刺激的反应，并增加对对侧刺激的反应。而把雄性果蝇放在中间位置时，抑制对侧触角会导致IPN反应的降低，而抑制同侧触角则会导致更强烈的IPN反应降低，甚至比单侧刺激基础反应更低。这些数据可以解释为对侧抑制机制：当两个触角都完好，对侧信号输入同时提供对IPN的兴奋和抑制作用。研究人员还通过连接组学鉴定了一个对侧抑制通路，il3LN6，它是一个局域神经元。

研究人员还发现，果蝇还能通过对双侧的对比解码另一个果蝇的角度信息。左右IPN响应的程度与雄性果蝇位置角度的cosine和sine密切相关。

最后，研究人员对cVA引起的第三层神经元激活进行了探究，lvPN-pC1连接在雌性接受行为中发挥了重要作用。另外，AD1g1整合了视觉信息和嗅觉信号，共同对逐渐靠近的雄性果蝇的速度进行了编码。除此之外，同时激活cVA信号和味觉神经元Ir94e能够促进雌性在交配行为中的接受性。

文献参考：

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

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

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

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

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