果蝇通过记忆塑造蔗糖偏好：饮食抉择背后的神经机制探索

为探究果蝇（Drosophila melanogaster）在不同浓度蔗糖溶液中进食行为与记忆的关联，研究人员开展了相关研究。结果发现记忆相关基因 rut 和蘑菇体中的多巴胺 D1 受体影响果蝇对蔗糖的偏好，该研究揭示了记忆在果蝇食物选择中的重要作用，为理解动物进食行为的神经机制提供了依据。

在动物的生存过程中，选择合适的食物是至关重要的技能，这关系到它们能否在复杂的环境中获取充足的营养。果蝇作为研究味觉感知和进食行为的重要模式生物，以往研究发现它们对蔗糖浓度有着敏锐的辨别能力，但其中的神经机制却一直模糊不清。比如，记忆相关分子在果蝇辨别蔗糖浓度过程中到底发挥着怎样的作用，是主要依靠记忆，还是感觉适应才是更关键的因素，这些问题亟待解决。

为了深入探究这些问题，来自东京都医学科学研究所（Tokyo Metropolitan Institute of Medical Science）和东京都立大学（Tokyo Metropolitan University）的研究人员开展了一系列实验研究。他们将焦点聚焦在果蝇面对不同浓度蔗糖溶液时的进食行为与记忆之间的联系上，最终研究成果发表在《Molecular Brain》杂志上。

研究人员为了开展这项研究，运用了多种关键技术方法。在实验过程中，选用了野生型果蝇（Canton S strain）以及记忆缺陷突变体果蝇（rut¹和 dumb²），通过设置不同的实验条件，进行了双选择测试（Two-choice test）。实验时，先让果蝇禁食 9 小时，然后将其放置在含有不同浓度蔗糖溶液的 60 孔微测试板上，根据果蝇腹部颜色来判断其进食情况，进而计算出对高浓度蔗糖的偏好指数（Preference index，PI） 。

研究结果如下：

1. 减少食物位置对选择性进食行为的影响：研究人员选择了 100mM 和 150mM 的蔗糖溶液进行实验，这是因为之前的电生理学研究表明，这两种浓度对应果蝇味觉受体神经元反应动态范围的中点。当 60 孔板中所有孔都充满蔗糖溶液（30:30 配置）时，果蝇对 150mM 蔗糖的偏好指数为 85.92%。但随着含有蔗糖溶液的孔数减少，偏好指数显著下降，在 15:15 配置时降至 67.32%，4:4 和 2:2 配置时分别降至 23.36% 和 21.65%。这表明果蝇展示选择性进食的能力会随着含溶液孔数的减少而受损。
2. 先前暴露对偏好指数的影响：先前研究发现，在稀疏环境中增加食物接触的旅行时间会减少觅食行为。研究人员假设果蝇偏好指数下降是由于蔗糖孔减少导致接触频率降低。为验证这一假设，他们让果蝇先在 30:30 配置的板上停留 3 分钟，再转移到 4:4 配置的板上。结果显示，先前暴露于 30:30 配置的果蝇在后续 4:4 配置中的偏好指数显著提高，达到 41%，而未暴露的果蝇偏好指数仅为 25%。即使交换食物染料的分配，这种效果依然存在，且在 2:2 配置中也观察到类似现象。此外，交换 30:30 板中蔗糖溶液的位置，偏好指数的增加仍然保持，这表明该效果不依赖于孔的特定空间排列。相反，若先让果蝇暴露在 4:4 配置中，再转移到测试板上，其偏好指数与未暴露的果蝇相比没有差异。这说明有足够机会接触蔗糖溶液对偏好指数的增加至关重要，果蝇可能会保留这些信息来指导其选择性进食行为。
3. 记忆保留对长期选择性进食的影响：为证实果蝇是否利用周围进食环境的信息（可能依赖某种形式的记忆）来改善选择性进食，研究人员延长了果蝇从 30:30 配置转移到 4:4 配置之间的时间间隔。结果发现，果蝇在转移后立即以及 30 分钟、60 分钟甚至 120 分钟后，都能保持较高的偏好指数。这进一步支持了记忆在指导果蝇选择性进食行为中发挥作用的假设。但由于长时间禁食会导致果蝇死亡，所以无法测试更长的时间间隔。
4. 选择性行为与蔗糖浓度的关系：研究人员准备了三种 30:30 配置的板，一种含有 150mM 和 100mM 蔗糖溶液，另外两种分别只含有 150mM 或 100mM 蔗糖溶液。结果显示，只有当果蝇接触到含有两种蔗糖浓度的板时，才会表现出较高的偏好指数。这表明多种浓度选项对于观察到的选择性进食行为增强至关重要。
5. 记忆突变体对选择性进食的影响：为进一步探究记忆在选择性进食中的作用，研究人员使用了记忆突变体 rut¹和 dumb²进行实验。这些突变体在面对 30:30、15:15 和 4:4 配置时，偏好指数与野生型果蝇相似。但与野生型果蝇不同的是，rut¹和 dumb 突变体在先前暴露于 30:30 板后，转移到 4:4 配置时，偏好指数并未增加。为确认这些记忆相关分子在中枢大脑中的功能，研究人员对 dumb²突变体进行了拯救实验。他们将 dumb²突变体与泛蘑菇体 GAL4 驱动蛋白 OK107 杂交，产生 dumb²/dumb²; OK107/+ 果蝇。结果显示，这些果蝇在先前暴露于 30:30 配置后，在 4:4 配置中的偏好指数显著提高，而对照实验则没有效果。这表明选择性进食行为需要蘑菇体神经元中的多巴胺信号传导。

综合研究结论和讨论部分，该研究具有重要意义。果蝇对不同蔗糖浓度表现出的选择性会随着可进食位点数量的减少而降低，但先暴露在高机会进食环境中，即使后续选择减少，其进食选择性也会增强，且这种增强可持续超过两小时。这一现象并非源于味觉受体细胞层面的简单习惯化或敏感化，而是由中枢大脑中的记忆形成和回忆这一复杂脑功能所导致。同时，研究发现多巴胺 D1 受体突变会损害这种依赖经验的选择性，而在蘑菇体中表达该受体基因则可恢复这种选择性，这表明多巴胺能神经元在处理与进食相关的经验并基于记忆指导未来食物选择中起着关键作用。此外，研究还强调了环境复杂性在塑造果蝇进食决策中的重要性，果蝇能够将先前的糖经验整合到决策过程中，优化在变化条件下的进食选择。而且，该研究揭示了记忆在果蝇进食辨别中的重要贡献，为理解动物在动态环境中的觅食策略提供了新的视角，也为进一步研究进食行为相关的神经机制奠定了基础，同时暗示了果蝇与其他动物在进食相关记忆过程中可能存在相似之处，对后续深入探究具有重要的指导意义。