果蠅是如何透過抑制性神經控制行為的？
在行為實驗中，果蠅經常會在不同的行為狀態間進行切換。以嗅覺實驗為例，當果蠅嗅到感興趣的氣味時，多半會直直朝著氣味源頭走去，而當氣味刺激消失時，果蠅則會開始在四周打轉尋找消失的氣味。在整段行為實驗中，透過氣味刺激的開關，可以看到果蠅在「走向目標」和「尋找」兩個狀態間切換。這個現象產生了一個令人好奇的問題，也就是是什麼神經負責了行為間的切換？
在此篇論文中，作者便想要尋找出嗅覺實驗中導致果蠅進行行為切換的神經機制，首先他們研究了在有無嗅覺刺激的狀態下，速度和角速度的差別，並發現在尋找階段，果蠅的速度降低而角速度卻增加了（圖一）。
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| 圖一（原論文Fig1）在尋找階段和一般情況下速度和角速度的差異。 |
為了研究是什麼造成了速度差異，作者參考了相關文獻並建立了一個簡易的電腦模型（圖二）。模型中只含三種神經元，第一種主要反映了速度變化，第二種則反映了角速度變化，最後一種則代表了停止訊號。這三種神經元除了會刺激自己之外，還會給予彼此來自對側的抑制訊號。
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| 圖二（原論文Fig 3）模型示意圖。包含三種神經元，綠色：反映速度變化，黃色：反映角速度變化，紅色：給予停止訊號。 |
在經過參數的調整後，作者發現調整對側抑制訊號的強度會讓速度降低且角速度提高（圖三），換句話說，會更接近尋找階段時果蠅的狀態。
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| 圖三（原論文 Fig 3）模型中增強對側抑制（Ic）的結果。Ic越強，果蠅越趨向於原地盤轉。 |
發現了這些對側抑制神經元的重要性後，作者開始在跟轉向相關的腦區 LAL (LAteral accessory lobe) 中尋找這一群神經元。他們透過光遺傳學和Gal4-UAS系統找出了兩群可被標定的神經元。第一群被稱為 Tortuous-Gal4，刺激 Tortuous-Gal4 神經可造成速度降低，角速度增加，以及行走路徑的曲度增加（圖四），符合尋找階段的特徵。
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| 圖四（原論文 Fig4）Tortuous-Gal4神經群與刺激後的實驗結果。 |
第二群被標定的神經群被稱為 Throttle-Gal4 神經群，作者發現刺激這群神經可以導致速度降低並開始在原地打轉，而抑制這些神經則可以導致速度上升，且不再有原地搜尋的行為產生（圖五）。
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| 圖五（原論文 Fig 5）Tortuous-Gal4 神經群及刺激／抑制後的實驗結果。 |
這篇論文除了發現了兩群對側抑制神經元對果蠅行為切換的重要性之外，也進一步的分析了各神經於腦區中的位置，讓果蠅轉向實驗中對於 LAL 各區域間的功能性不同有了更深的認識，也讓之後的研究能更注意到這些抑制性神經元對整個神經迴路可能產生的影響，對於研究果蠅轉向的研究擁有很高的參考價值。
撰文者：張寧
資料來源：
Inhibitory control of locomotor statistics in walking Drosophila
Hannah Gattuso, Kavin Nuñez, Beatriz de la Rea, Bard Ermentrout, Jonathan Victor, Katherine Nagel
bioRxiv 2024.04.15.589655; doi: https://doi.org/10.1101/2024.04.15.589655
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