研究人员发现大脑网络的结构如何使不同物种能够在长时间的进化中适应新的交配信号。
雄性果蝇使用多种策略寻找伴侣，包括在黑暗中探测信息素和在明亮条件下利用视觉线索。
一项最近的研究表明，这些小昆虫利用灵活的模块化大脑电路网络迅速调整到不同的交配信号。这项发表在Nature上的研究是首个展示不同果蝇物种如何将新的感官输入（如信息素）整合到基本的大脑电路中，而无需创造全新的神经通路。
这些结果提供了更广泛的视角，展示了大脑连接的变化如何影响行为的进化。“动物王国中行为的多样性是巨大的，但理解神经系统如何进化一直非常具有挑战性，”神经生理学和行为实验室主任凡妮莎·鲁塔解释道。“我们识别出了一个我们认为是关键的神经机制，它允许不同物种的大脑电路适应和重组。”
灵活的整合
行为进化的一个难题是随着物种的进化，大脑电路如何跟上社交信号的快速变化。例如，求偶行为迅速进化，让人难以相信每次发现新信息素时，果蝇的大脑都会完全重建自己。
直到现在，确定进化在神经系统中影响行为的具体位置是不可行的，因此电路适应性的核心方面仍然笼罩在神秘之中。鲁塔的团队专注于果蝇，相关物种之间虽然共享类似的大脑结构，但依赖显著不同的交配线索。例如，D. simulans主要使用视觉信号寻找伴侣，而D. yakuba则发展出在完全黑暗中使用信息素寻找伴侣的新能力。这些差异提供了一个独特的机会，以探索相似的大脑结构如何解释各种社交信号。
“我们开始检查可能被设计为适应性的脑部区域，”研究的主要作者、鲁塔实验室的博士后研究员罗里·科尔曼表示。“我们在寻找可能使电路天生灵活的特征，并作为潜在的进化热点，导致行为多样性。”
通过比较不同物种中探测信息素的电路，进行行为实验、遗传方法、神经影像和CRISPR基因组编辑，他们发现雄性前腿的感觉神经元和高级大脑中的P1神经元对调节跨物种的求偶行为至关重要。研究团队发现，雄性交配行为的基本神经成分（如P1神经元）在不同物种中是保守的，但不同的感官输入可以被整合到这个核心电路中。这使得果蝇物种能够制定多样的交配策略，而无需全面革新其整个神经结构。
例如，研究人员发现P1神经元在D. melanogaster和D. yakuba中的激活是由不同的信息素引起的。然而，P1神经元在启动求偶中的功能在这两种物种中保持一致。“我们研究的重要发现是，这些物种的大脑中有特定节点可以有效整合新的感官模式，”鲁塔说道。“这种适应性使得保守的节点（如P1神经元）能够在不同物种中启动求偶，同时对各自雌性的独特信号作出反应。”
一个用于社交互动的大脑
这项研究是洛克菲勒大学社交大脑价格家庭中心的一部分，该中心旨在探讨驱动社交行为的神经、细胞和分子基础。除了强调大脑对新感官信息的适应性，这项研究还提供了一种实用的方法，调查社交行为如何在不同物种中进化。“我们的发现表明，果蝇是研究行为进化的一个引人注目的模型，”鲁塔指出。
通过研究神经电路的差异如何影响交配等行为，实验室旨在增强我们对大脑功能和社交行为之间复杂关系的理解，为理解社交电路如何被设计以支持人类适应性行为奠定基础。尽管果蝇和人类的大脑结构差异显著，但一些指导神经电路进化和适应的基本原理在物种之间可能共享。
科尔曼补充道：“我们预期像这样的比较进化研究将揭示指导神经电路在动物王国（包括人类）中发展的基本原则。”鲁塔指出：“许多神经疾病被认为是电路错误连接造成的。“通过从进化的角度探索神经电路，我们希望揭示哪些神经模式可以被修改，以及它们如何改变，不仅仅是由于疾病，而是由于进化选择。”
