在大脑深处有关进化如何改变思想的线索

对于整个动物王国的爱好者来说，寻找合适的伴侣需要正确的化学反应。现在，洛克菲勒大学的科学家已经能够绘制一条意想不到的路径，在这条路径中，动物可以选择正确的伴侣。

与果蝇一起工作，科学家们探讨了雄性如何设法从众多果蝇周围的果实中挑选出自己物种的成员。本周发表在“自然”杂志上的答案颠覆了长期以来关于进化如何确保动物使其物种长期存在的信念。

远远望去

长期以来，科学家一直认为动物不会杂交，因为进化改变了神经系统的周边部分，包括检测和处理信息素的感觉器官 - 有助于识别同一物种其他物种的化学物质。已经提出外周变化对于允许动物发展物种特异性行为(包括交配)是必不可少的，但是不可能确定这是否是神经系统中的主要或唯一变化位点。

神经生理学和行为实验室负责人Vanessa Ruta与她的实验室的一个团队一起开始探索进化已经做了什么以确保两种密切相关的果蝇种类 -果蝇和果蝇模拟物 -在交配时自己种类。科学家利用一系列最先进的遗传和成像工具，并发明了一些新的技术，从男性前腿的感觉神经元开始追踪电化学冲动，他们用它来“品尝”信息素，一路走来进入大脑的中央处理中心。

他们发现，物种之间的差异在于苍蝇的大脑，在一小群控制交配行为的神经元中。事实上，周围神经系统没有变化，这表明他们不参与不同物种的独特交配选择，这是Ruta没有预料到的结果。

“我认为该领域的科学家一直认为这些变化最有可能局限于外围，部分原因在于它是最简单的观察点，”她说。“当人们通过大脑回路传播感知信号时，人们还没有可用的遗传工具。”

岔路

D. melanogaster雌性产生一种特定的信息素，作为一种强大的催情剂，驱使雄性交配。奇怪的是，D。simulans雄性对相同的信息素反应强烈，但对它们来说，这是一个强大的岔路，阻止它们向错误物种的雌性求爱。

对Ruta团队来说，最大的问题是在神经系统中发生了进化变化的原因，即苍蝇对同一信息素的反应。

在寻找答案时，Ruta实验室的博士生Laura Seeholzer使用Crispr-Cas9基因编辑来确定两个物种的雄性以相同的方式检测到信息素。她发现，神经通路在向大脑移动时也是相同的。在这两个物种中，路径分成两个通道：一个通路形成一个所谓的兴奋中间神经元，鼓励交配，另一个通道抑制中间神经，以抑制冲动。

当科学家测试控制求偶行为的一组称为P1的神经元中发生的事情时，蝇类之间功能差异的第一个迹象就出现了。在一项实验中，允许两个物种的雄性接触D. melanogaster雌性，品尝她的信息素。

在黑腹果蝇雄性适当引起，与他们的神经元P1点亮使用脑活动的功能成像。但对于D. simulans雄性来说，它是熄灭的。

接下来，研究小组试图通过直接刺激P1节点来人工激发或抑制男性的性欲。这是一项高阶实验：虽然遗传工具可以很容易地操纵D. melanogaster中的神经元，这是最广泛研究的动物物种之一，但对D. simulans的研究很少，迫使Seeholzer及其同事设计新技术遗传标记该物种的神经元，以便他们可以检查它们在交配选择中的作用。

结果：两种蝇类均存在兴奋性和抑制性途径。但研究发现，它们对P1神经元的输入平衡是造成苍蝇对同一信息素的相反反应的原因。对于D. simulans雄性，品尝另一物种的信息素导致抑制途径占主导地位，掩盖任何交配的冲动。

Ruta说：“看到物种中P1神经元的不同反应是我们认为的点，我们已经确定了一个发生进化变化的地方”，以防止这两个物种进行杂交。

她希望扩大研究范围，以比较其他种类的果蝇，以发现进化可能推动行为的其他方式。直到最近，这种研究还非常费时。但她说，使用新的基因工具，包括Crispr-Cas9，现在可以比较不同物种之间的神经回路。