果蠅如何利用濕度感知找水？──科學家揭示內外協作的神經機制
果蠅，這些小小的昆蟲，雖然看似不起眼，但它們的生存能力卻依賴一項驚人的感知能力──濕度感知。濕度對昆蟲的重要性不言而喻，尤其是果蠅這樣的小型生物，它們的身體容易因乾燥而迅速失水。科學家長期以來對果蠅的濕度感知展開研究，並在近日由朱麗安教授團隊發表的論文中，揭示了果蠅如何通過內外協作的神經機制，在缺水狀態下改變行為，找到水分來源。
乾濕感知的神經元組合
果蠅的濕度感知器官位於它們的天線上，這裡有一個稱為小囊（sacculus的結構，內含三種不同類型的感知神經元，分別感知乾燥、濕潤以及冷空氣。這些神經元經常以“三聯體”（triad）的形式排列在一起，像是小小的感應站。
其中兩種神經元已有深入研究：
• IR40a 神經元專門感知乾燥空氣，驅動果蠅遠離乾燥的環境。
• IR68a 神經元負責感知濕潤空氣，能讓果蠅在缺水時被高濕度環境吸引。
不過，這些神經元的作用無法完全解釋果蠅為何在不缺水時會避開高濕度的環境。因此，朱麗安教授的團隊將目光轉向另一群未被充分研究的神經元：IR8a。
缺水狀態如何改變行為？
研究發現，IR8a 神經元負責在果蠅不缺水的情況下，驅動其濕潤回避行為，使果蠅遠離過於潮濕的環境。然而，當果蠅缺水時，這一行為會被抑制，取而代之的是濕潤吸引行為。這種轉變由一種稱為 leucokinin（Lk） 的神經肽調控。
Lk 是昆蟲調節水分平衡的關鍵分子。在果蠅缺水時，Lk 的分泌增加，進而抑制 IR8a 神經元的活性。結果，果蠅不再避開濕潤環境，而是開始接近，展現出尋水行為。如果進一步阻斷 Lk 的信號，IR8a 神經元則重新驅動濕潤回避行為，即便果蠅正處於缺水狀態。
科學家如何解碼這些行為？
為了研究這些複雜的行為轉變，科學家使用了多種尖端技術，包括 RNA 干擾（RNAi）來減弱基因表達，以及光遺傳學技術來精準調控神經元活性。他們設計了一個T字迷宮實驗，讓果蠅選擇不同濕度的環境，並記錄它們的行為改變。結果顯示，當 IR8a 神經元功能受損，果蠅的濕度偏好行為完全消失，無法選擇適合的環境；而當刺激這些神經元時，果蠅會根據自身缺水與否展現相應的回避或吸引行為。
三類神經元如何協同工作？
朱麗安教授的團隊基於這些發現，構建了一個完整的濕度偏好調控模型：
1. IR40a 神經元：感知乾燥空氣，避免果蠅進入過於乾燥的環境。
2. IR68a 神經元：感知濕潤空氣，缺水時促使果蠅被高濕度吸引。
3. IR8a 神經元：不缺水時驅動濕潤回避行為，缺水時受 Lk 抑制，行為切換為濕潤吸引。
這三種神經元的訊號在果蠅體內達到平衡，讓它們能夠適應不同濕度環境。例如，在不缺水時，它們傾向於中等濕度（約 30% 相對濕度）；而在缺水時，這種平衡被打破，促使它們快速找到濕潤區域補充水分。
小昆蟲的大智慧
果蠅濕度感知背後的神經機制，揭示了昆蟲如何在環境壓力下進行精準的行為調控。這項研究不僅拓展了我們對昆蟲感知與行為之間關係的認識，也為了解其他動物（甚至人類）如何調節內部需求與外部感知提供了新的靈感。小小果蠅，藏著大大的生存智慧！
撰文：廖晨絜
原始論文：Chu, L. A., Tai, C. Y., & Chiang, A. S. (2024). Thirst-driven hygrosensory suppression promotes water seeking in Drosophila. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(34), e2404454121.
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