嗅覺感知（olfactory perception），即“一個(gè)開始于鼻腔對(duì)高級(jí)大腦中樞的嗅覺感覺神經(jīng)元的刺激的過程，當(dāng)它被激活時(shí)，使我們有意識(shí)地感受到一種氣味”，對(duì)生存至關(guān)重要。自然環(huán)境確實(shí)充滿了氣味，這些氣味使動(dòng)物能夠找到食物來源、識(shí)別配偶或躲避捕食者。

嗅覺賦予動(dòng)物感知周圍環(huán)境中物體空間信息的能力，對(duì)靈長(zhǎng)類動(dòng)物視覺皮層的研究顯示，腹部通路和背部通路負(fù)責(zé)對(duì)物體的識(shí)別（是什么）以及對(duì)空間的感知（在哪里）【1,2】。視覺上對(duì)這兩種信息處理的分離是可以理解的，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)（motion）和同一性（identity）是物體的兩種獨(dú)立特征，我們對(duì)物質(zhì)的感知必須分別提取持續(xù)性的（同一性）或者隨時(shí)間變化的（運(yùn)動(dòng)）感知信號(hào)。這種分離的處理策略已經(jīng)在視覺中得到了廣泛的研究，但對(duì)于其在全面的突觸分辨環(huán)路調(diào)控中的作用，還未得到深入的闡釋。

嗅覺提示是動(dòng)物社交中的關(guān)鍵信號(hào)機(jī)制。比如，雄性果蠅產(chǎn)生的cVA（cis-vaccenyl acetate），是一種低揮發(fā)性信息素，它是一種雌性果蠅的催情劑，也可導(dǎo)致雄性間的攻擊行為【3,4】。cVA是一種研究最多的信息素，它在雄性果蠅體內(nèi)合成，交配時(shí)傳入雌性果蠅體內(nèi)【5】。但目前對(duì)于其在果蠅社交行為中發(fā)揮的作用還不清楚，cVA什么時(shí)候以及在哪兒發(fā)揮作用需要更深入的研究。

近日，來自英國(guó)劍橋大學(xué)MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Dana S. Galili和Gregory S.X.E. Jefferis團(tuán)隊(duì)在Cell發(fā)表了 Generating parallel representations of position and identity in the olfactory system ，研究人員對(duì)果蠅信息素介導(dǎo)的嗅覺感知機(jī)制進(jìn)行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)果蠅嗅覺神經(jīng)元能夠通過信息素進(jìn)行物質(zhì)識(shí)別和空間位置的感知，這種能力促進(jìn)了果蠅在社交行為中的表現(xiàn)。

研究人員首先通過兩個(gè)電子顯微鏡連接組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)追蹤對(duì)cVA響應(yīng)的嗅覺受體神經(jīng)元（olfactory receptor neurons, ORNs）下游通路。除了已知的單個(gè)嗅小球DA1側(cè)向投射神經(jīng)元（lateral projection neurons, IPNs）和抑制性腹部投射神經(jīng)元（projection neurons, PNs）之外，研究人員還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)腹外側(cè)譜系單個(gè)嗅小球，命名為DA1 lvPN。這個(gè)神經(jīng)元接收了90%的Or67d ORNs投射，和IPNs類似，它將cVA信號(hào)中繼到側(cè)角葉（lateral horn, LH），但是繞過蘑菇體（mushroom body）的聯(lián)想學(xué)習(xí)中心，投射到上位中前腦區(qū)（suprior intermediate protocerebrum, SIP）。IPNs和lvPNs形成平行的cVA興奮性反應(yīng)通路。

研究人員檢測(cè)了這兩個(gè)通路對(duì)性行為的影響，發(fā)現(xiàn)lvPN的激活促進(jìn)了交配率，提高了雌性果蠅的接受性，而IPN的活化對(duì)于雌性果蠅的性行為沒有影響。在雄性果蠅中，通過光遺傳學(xué)激活I(lǐng)PNs或者lvPNs都會(huì)導(dǎo)致雄性果蠅與雌性果蠅的交配率下降。同時(shí)，IPN（而非lvPN）的活化也降低了雄性果蠅和雄性果蠅之間的求偶行為。激活lvPN則會(huì)導(dǎo)致雄性果蠅與雄性果蠅之間的攻擊行為。

接下來研究人員發(fā)現(xiàn)，DA1 ORN, IPN和lvPN軸突神經(jīng)元鈣信號(hào)的激活與接收cVA的濃度以及距離密切相關(guān)。ORNs的激活距離為5 mm，并且在此范圍內(nèi)，隨時(shí)距離的減少，激活信號(hào)增強(qiáng)。與之不同的是，IPN的激活約在1 mm左右達(dá)到平穩(wěn)，而lvPN的反應(yīng)在5 - 2 mm內(nèi)增加比較緩慢，但從2 mm - 0.25 mm則急劇增加，且不會(huì)飽和。如果在距離觀測(cè)雌性果蠅觸角0.75 mm的地方持續(xù)給cVA刺激10 s，那么ORNs的響應(yīng)會(huì)比IPNs更晚達(dá)到峰值，IPNs對(duì)這種持續(xù)性刺激表現(xiàn)出更強(qiáng)的適應(yīng)性。而DA1 lvPNs也比IPNs更晚達(dá)到響應(yīng)峰值，但DA1 lvPNs卻在10 s的刺激過程中沒有表現(xiàn)出適應(yīng)性。

進(jìn)一步的研究顯示，在雌雄果蠅的交配行為中，cVA的濃度反映了位置信息，影響了雌雄果蠅的交配行為。當(dāng)雄性果蠅在雌性果蠅前邊時(shí)，雌雄果蠅都出現(xiàn)了多次的轉(zhuǎn)向移動(dòng)。而當(dāng)雌性果蠅的右邊觸角被去除，雄性果蠅處在雌性果蠅完好觸角那一側(cè)時(shí)，雌雄果蠅也發(fā)生了多次轉(zhuǎn)向移動(dòng)。單側(cè)觸角的去除會(huì)導(dǎo)致不對(duì)稱行為表型的產(chǎn)生，觀測(cè)果蠅的兩個(gè)觸角會(huì)產(chǎn)生一個(gè)可檢測(cè)的cVA空間梯度。當(dāng)雄性果蠅在雌性果蠅的左邊或者右邊時(shí)，雄性果蠅靠近的那一側(cè)觸角，ORN的信號(hào)比另一側(cè)的更強(qiáng)。

雖然ORNs能夠被同側(cè)的雄性cVA激活，但ORNs投射并不僅限于同一側(cè)腦區(qū)，而是會(huì)投射到整個(gè)腦區(qū)，因此研究人員通過抑制單側(cè)觸角對(duì)此進(jìn)行了深入的探索，發(fā)現(xiàn)僅記錄觀察半球區(qū)的ORN時(shí)，同側(cè)刺激引起的反應(yīng)依然很大，但Or67d ORNs的基礎(chǔ)信號(hào)并沒有改變。不過，當(dāng)記錄對(duì)側(cè)ORN信號(hào)時(shí)（抑制同側(cè)的觸角），研究人員觀察到對(duì)側(cè)雄性反應(yīng)更大。雙側(cè)信號(hào)對(duì)比不同源于刺激距離不同引起的ORN信號(hào)水平的差異。

接下來研究人員對(duì)ORN信號(hào)如何被PNs處理進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)同側(cè)雄性刺激會(huì)引起IPNs和lvPNs更強(qiáng)的反應(yīng)，兩種投射神經(jīng)元會(huì)從同側(cè)ORN軸突中接受更多的突觸。當(dāng)在兩側(cè)都放置雄性果蠅時(shí)，抑制對(duì)側(cè)觸角會(huì)降低對(duì)同側(cè)刺激的反應(yīng)，并增加對(duì)對(duì)側(cè)刺激的反應(yīng)。而把雄性果蠅放在中間位置時(shí)，抑制對(duì)側(cè)觸角會(huì)導(dǎo)致IPN反應(yīng)的降低，而抑制同側(cè)觸角則會(huì)導(dǎo)致更強(qiáng)烈的IPN反應(yīng)降低，甚至比單側(cè)刺激基礎(chǔ)反應(yīng)更低。這些數(shù)據(jù)可以解釋為對(duì)側(cè)抑制機(jī)制：當(dāng)兩個(gè)觸角都完好，對(duì)側(cè)信號(hào)輸入同時(shí)提供對(duì)IPN的興奮和抑制作用。研究人員還通過連接組學(xué)鑒定了一個(gè)對(duì)側(cè)抑制通路，il3LN6，它是一個(gè)局域神經(jīng)元。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，果蠅還能通過對(duì)雙側(cè)的對(duì)比解碼另一個(gè)果蠅的角度信息。左右IPN響應(yīng)的程度與雄性果蠅位置角度的cosine和sine密切相關(guān)。

最后，研究人員對(duì)cVA引起的第三層神經(jīng)元激活進(jìn)行了探究，lvPN-pC1連接在雌性接受行為中發(fā)揮了重要作用。另外，AD1g1整合了視覺信息和嗅覺信號(hào)，共同對(duì)逐漸靠近的雄性果蠅的速度進(jìn)行了編碼。除此之外，同時(shí)激活cVA信號(hào)和味覺神經(jīng)元Ir94e能夠促進(jìn)雌性在交配行為中的接受性。

文獻(xiàn)參考：

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.