果蝇幼虫的视觉系统

生物物理学报2011年7月第27卷第7期:588-595

ACTA BIOPHYSICA SINICA Vol.27No.7Jul. 2011:588-595

龚哲峰，刘力

中国科学院生物物理研究所，脑与认知国家重点实验室，北京100101

收稿日期：2011-03-10；接受日期：2011-03-12

基金项目：国家自然科学基金项目(31070944)

通讯作者：龚哲峰，电话：(010)64888527，E-mail ：[email protected]

摘要：视觉对于动物的生存和行为来说是非常重要的。虽然果蝇幼虫的视觉神经系统在组织结

构上比成虫简单，但是也具有一定的复杂性和多样性。在最近几年中，随着对果蝇幼虫视觉系

统功能的研究取得重要进展，我们对于果蝇幼虫视觉系统的认识更加丰富了。果蝇幼虫视觉系

统的结构中，最初级的光感受神经元包括三类，一类是BO/BN(Bolwig's organ /Bolwig's nerve ) ，

一类是表达感光分子CRY (cryptochrome ) 的神经元，另外一类是Ⅳ型DA (class Ⅳdendritic

arborization ) 神经元；果蝇幼虫视觉系统的次级神经元主要是光节律相关的侧神经元(lateral

neurons ，LN ) ，它表达Per (period ) 、Tim (timeless ) 及Pdf (pigment dispersion factor ) 等节律相关

的蛋白分子；而第三级神经元包括更为下游的、表达果蝇促胸腺激素且直接调控幼虫光偏好的

NP394神经元。这三级神经元构成了我们现在所了解的果蝇幼虫视觉神经系统的基本框架。

关键词：果蝇；幼虫；视觉神经系统

中图分类号：Q436

DOI ：10.3724/SP.J.1260.2011.00588

引言

果蝇视觉相关行为〔如成蝇趋光性(phototaxis ) 〕的研究曾经在上世纪六、七十年代达

到一个高潮，而对其视觉神经元结构的研究也在上世纪七十年代取得较大进展。不过由于

研究工具和手段的局限，对果蝇成虫视觉神经元的研究基本上局限于复眼。虽然在稍下游

的视叶水平有不少精细的解剖学工作，但由于不能精确地控制具体的神经元，直到最近几

年，随着越来越多可以特异性标记视叶神经元的Gal4品系的获得，这方面的研究才逐渐取

得新的显著进展。虽然人们早已知道，果蝇幼虫的视觉系统是决定果蝇幼虫避光行为的关

键，相关研究却基本上长期处于缓慢进步的状态，而且相当一部分知识还是在研究成虫视

觉相关神经元时，作为附属产品而获得的。最近几年中，越来越多的实验室选择以果蝇幼

虫的视觉系统及其行为作为研究对象，并取得了一系列令人瞩目的成果，大大地拓展了我

们对果蝇幼虫视觉系统的了解[1～4]。本文将结合近年来果蝇幼虫视觉神经系统研究领域的最

新进展，介绍果蝇幼虫的视觉神经系统。

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经元的胞体集合组成，这12个神经元的胞体中，其中4个表达蓝光感受蛋白Rh5，另外8

个表达绿光感受蛋白Rh6。因此，果蝇幼虫的BO 主要负责感受蓝光和绿光。表达Rh5和

Rh6的神经元的胞体紧密集中在一起形成BO ，它们所发出的神经轴突也紧密地束在一起形

成一个长的神经纤维，称为Bolwig's nerve (BN ) 。BN 从幼虫的嘴部出发，向后经过一个长

距离的投射，穿过覆盖于幼虫脑部的antenna disc (触角发育盘) 和eye disc (眼发育盘) ，进

入幼虫的中央脑。在幼虫的中央脑部分，BN 先穿过视叶区(即成虫视叶的前体) 到达中央

脑半球的中央位置，投射并输入到昼夜节律相关的侧神经元(lateral neurons ，LN ) ，其中主

要是输入到表达Pdf 蛋白的小腹侧神经元(small ventral lateral neuron ，sLNv ) 。这个投射过

程中，部分表达Rh5的神经元在进入中央脑后分叉出去，其投射的下游目标神经元尚不清

楚[5～9]。

实际上，BO 最早在胚胎发育的第12期(stage 12) 就已经开始出现了[10]。开始只有一个

细胞胞体，这个胞体很快就向中央脑(胚胎阶段的原始脑) 方向伸出轴突并向大脑方向延伸，

这个轴突被称为先导轴突(pioneer axon ) ；在这个延伸过程中，周边未分化的细胞也会转而向

BO 方向发育而形成新的BO ；几乎同时，新的轴突和已经与脑区建立联系的先导轴突捆绑在

一起，形成BN 。到stage 13，一侧的12个BO 都已经完成分化，而其中至少有4个BO 发

出的轴突能够到达脑区。到stage 14，即脑内陷(head involution ) 阶段结束时，BO/BN发育

基本成熟，即基本形成与幼虫阶段一致的形态[5,6](图1) 。而Rh5和Rh6的表达则是从胚胎发

育的stage17才开始的，先是四个BO 表达Rh5，然后这四个表达Rh5的BO 通过EGFR

(epidermal growth factor receptor ) 信号通路传递信号到周边的BO ，使其表达Rh6[7,8]。(A)(C)

BO stage 17

brain

BO brain dorsal pouch eye disc central

brain neurons

(B)Bolwig's organ

Bolwig's nerve

BN optic lobe

BO brain

图1幼虫视觉系统的发育过程胚胎第16期的示意图。(A)背视图，所示为BO 和脑；(B)侧视图，BO 和脑。

这两幅图中，左侧为前；侧视图中，上为背侧[6]。(C)胚胎第17期的侧面示意图。阴影部分为视叶原基、BO 和眼

发育盘[10]

Fig.1Normal development of the larval visual system Schematic of stage 16embryo, (A)dorsal view. BOs

and location of the brain are indicated, (B)lateral view. BO, BN and brain are indicated. In both Figures, anterior

is to the left; dorsal is towards top in lateral views [6]. (C)Schematic illustrations show heads of embryos in lateral

view at stage 17. The primordial of the optic lobe, Bolwig's organ, and the eye imaginal disc are shaded [10]

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BO/BN的功能在幼虫光回避中表现最为明显。在对低强度光亮的回避反应行为中，缺

少了BO/BN的幼虫对光线没有明显的回避反应，说明BO/BN是果蝇幼虫常规光亮条件下

的主要视觉感受器官，也就是“眼睛”[3,9]。不仅如此，BO/BN缺失的果蝇幼虫也失去了昼

夜节律性[9]。不过，由于BO 并不是直接暴露在表皮外，其外部还有表皮的包裹，所以BO

的视觉不能像成虫的复眼那样具有视觉分辨能力，而是只能够感受光线强度和光线颜色

。(或波长) ，所形成的是一种不清晰的“模糊视觉”

果蝇的“第三只”眼：CRY (cryptochrome)和表皮感光细胞

除了通常被认为是果蝇幼虫眼睛的BO/BN之外，幼虫还有其他众多的视觉感受神

经元。2010年，美国加州大学旧金山分校Jan 的实验室[3]在Nature 杂志发表文章，报道他们发现果蝇表皮的树突分支神经元第四类DA 神经元(class IV ，dendritic arborization neuron )

也具有感光功能。DA 神经元呈瓦片状相接并覆盖幼虫的身体表皮(图2) 。DA 神经元主要

对较为强烈的蓝光和紫外光有反应。在分子机制上，两种蛋白分子TrpA1和Gr66a ，都参

与DA 神经元的感光功能，TrpA1和Gr66a 在DA 神经元中表达水平的降低，都会导致光反

应的降低或者消失。DA 神经元的光感受能力，主要是通过包含TrpA1和Gr66a 在内的膜

上受体分子所介导的。

图2一只果蝇幼虫介导光回避行为的感光受体

神经元被标记为绿色，每一个体节后部表皮细胞被

标记为红色[3]

Fig.2A Drosophila larva The photoreceptors

that mediate light avoidance are labeled green, with

the

posterior epidermal cells of each segment

labeled red [3]

在形态上，DA 神经元的树突分支结构非常丰富，且在同一平面上均匀地向各个方向发

散。这种树突密集且均匀发散的方式，使得DA 神经元可以有效地收集汇总体表各个局部

位置的光刺激信号。这些为数众多的树突最终汇集到胞体，而胞体所发出的轴突则投射到

中枢神经系统的腹部神经节的中间平行轴处[12,13]。由于VNC (vestibular nuclear complex ) 的

纵向神经轴(longitudinal tract ) 处是神经元突触富集的地方，虽然DA 神经的输出下游神经

元至今还不清楚，但是，几乎可以肯定其会具有较多的数量。其中一种可能性就是DA 神

经元直接输出到在VNC 纵向神经轴处有大量树突的运动神经元，从而形成一个简短的局部

神经元回路，造成光回避行为结果。

DA 神经元作为外周神经系统感觉神经元，在胚胎阶段即已发生, 其树突的生长和个体

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和轴突，成为成虫的体表感受神经元，形态上和幼虫阶段基本相似[16]。

在对成虫果蝇昼夜节律的研究中，人们发现一种蓝光感受蛋白CRY 也参与昼夜节律的

调控，视觉系统缺失的果蝇仍旧可以表现出正常的昼夜节律[17～20]。相应地，表达CRY 的

cry 神经元也是一种视觉感受神经元。不过，这个视觉感受神经元并不是分布在接近体表的

位置，而是深埋在果蝇脑内的光感受细胞(图3) 。幼虫的cry 神经元是成虫cry 神经元的前

体，它们之间的连续性保持得非常好，基本上不受果蝇结蛹的变态发育阶段的影响。幼虫

的cry 神经元也表达CRY 蛋白，埋在幼虫中央脑的深处，同样参与果蝇幼虫的昼夜节律行

为。Cry 神经元根据CRY 的表达分布模式，每侧脑半球包括4个LN 和两个dorsal neuron 1

(DN1) ，一共是6个，分别分布于脑中央侧部和背部等处。形态上，LN 神经元(即pdf 神经

元) 具有相对小的树突区，轴突投射仍旧在脑内同侧区域，而DN1神经元中似乎有一个投

射到对侧，而另外一个则沿着LN 的投射路径向后侧方向投射到视叶区，这两类神经元都

属于典型的中间神经元(inter neuron ) 。目前，这些DN1类型的cry 神经元的下游神经元尚

不清楚。(A)图3(A)三龄幼虫中央脑的cry 反义mRNA 原位杂交。白色箭头显示cry 阳性细胞，位于脑的中间位置，

可能是sLNv 的前体。紫色箭头显示部分脱离焦距的前-背侧细胞。(B～D) CRY 所标记的在黑暗环境中

养大的tim-gal4/UAS-gfp果蝇的三龄幼虫中央脑。在tim-gal4/UAS-gfp果蝇中，两个DN2神经元和四个

LN 神经元都被双重标记(B 和C 中的绿色为GFP 信号，D 和C 中的红色为CRY ) ，但是，两个DN2神经

元只表达GFP 。B ～D 中，LN 神经元的树突分支和背侧投射更为清晰。DP ：LN 神经元的背侧投射；DA ：

LN 神经元的树突分支。比例尺，20微米

Fig.3(A)Cry mRNA was detected by in situ antisense mRNA hybridization in whole third instar larval

brains. The white arrows indicate four cry-positive cells, located in the middle of the brain, that are likely

to be precursors of the small LNvs. The purple arrow indicates antero-dorsal cells that are out of focus in

this picture. (B～D), CRY labeling of tim-gal4/UAS-gfpbrains from third-instar larvae reared in the dark.

In tim-gal4/UAS-gfp,the two DN1s and four LNs are double labeled (GFP,B and green in C; CRY, D,

and red in C), but the two DN2s express only GFP. The dendritic arborization and dorsal projection of

the LNs are more clearly visible in the confocal images in B ～D. DP, Dorsal projection of the LNs; DA,

dendritic arborization of the LNs. Scale bars, 20μm

果蝇幼虫的次级视觉信息处理神经元：昼夜节律神经元

在最近的20年中，对果蝇昼夜节律行为机制的研究取得了令人瞩目的显著成就，事实

上，昼夜节律的分子机制，包括众多昼夜节律相关的基因，都是首先在果蝇中被发现的。

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Pdf ) 的LN ，大体分布在BN 的下游区域范围。除去一部分神经元(如DN1、DN2) 不和

BN 发生直接联系外，从形态上看，表达Tim 、Per 及Pdf 的神经元，其树突都和BN 的轴

突末梢相连接，很可能形成突触连接关系[20,21](图3) 。有报道表明，阻断tim 神经元或者pdf

神经元，则幼虫的避光行为消失，而Per 、Tim 这些节律分子的突变体果蝇幼虫对于光的回

避行为也消失，充分说明这些节律分子和神经元都是参与处理视觉信息的下游神经元[9]。

由于其中一部分tim 和pdf 神经元直接接受BO/BN的输入，所以可以认为其是幼虫视觉神

经系统的次级神经元。而其他的神经元，比如DN1和DN2，从形态上看和lateral neurons

这些次级神经元相联系并且处于下游，有可能是第三级视觉系统神经元。不过，目前除了

pdf 神经元以外，其他次级神经元和BN 之间的关系，以及上述次级和三级神经元之间的关

系，都还没有得到充分的实验验证———尽管目前我们有充分的理由相信这些连接关系的存在。

有趣的是，一方面由于所表达的CRY 蛋白具有感受蓝光的功能，另外一方面又接受

BO/BN方面来的输入，所以在果蝇幼虫视觉系统中，表达CRY 的LN 是同时作为初级神经元和次级神经元存在的。

光偏好行为相关神经元

果蝇的趋、避光行为是被用于研究果蝇视觉神经系统的一个重要手段。通过阻断或者

敲除果蝇幼虫的BO/BN或者是DA 神经元、tim 神经元和pdf 神经元，人们发现这些神经

元缺陷的果蝇幼虫的光回避行为都消

失了，说明这些神经元在处理果蝇视

觉信息过程中起着重要作用[9]。

我们最近的实验研究发现，果蝇

中央脑的NP394神经元仅有两对，其

活性的抑制可以导致幼虫从避光改变

为趋光，而其活性的提高可以增加幼

虫的避光性[1]。NP394神经元位于幼虫

脑的前端，共有两对，每侧一对(图

4) 。每个NP394神经元有两个主要的

树突分支区，一个靠近外侧，一个靠

近内侧。NP394神经元通过外侧树突

和pdf 神经元的轴突末梢形成突触联

系，而其胞体所发出的轴突则基本上

沿着左右轴的方向相对投射到对侧，图4NP394-Gal4在三龄幼虫中央神经系统的表达模式背景为FasII 标记的紫红色。mCD8-GFP (绿色) 用于标记神经元。比例尺，20微米Fig.4Expression patterns of NP394-Gal4in third instar larval CNS Background is FasII-labeled neural tracts (magenta).mCD8-GFP (green)was used to label the neuron.

Scale bars, 20μm

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由于NP394神经元对于幼虫的避光行为所起的是调节性的作用，在NP394神经元被阻

断的情况下，幼虫仍旧可以对光刺激产生行为反应。因此我们认为，一定还存在着某种与

NP394神经元平行的视觉神经元，这个未知的视觉神经元承载着主要的视觉信息，并且把

这个主要的信息转化为幼虫的运动输出。

目前，NP394神经元的下游神经元还不清楚。不过，NP394神经元很可能就是所谓的PG

神经元，也就是分泌促胸腺激素(prothoracicotropic hormone ，PTTH ) 的神经元。它们所表达

的促胸腺激素水平是随着上游pdf 神经元中Pdf 分子因光照节律而产生的表达节律而变化的，

后者对前者具有抑制作用。促胸腺激素有促进果蝇幼虫蜕皮结蛹的作用。因此，NP394神

经元很可能不仅调控幼虫对明暗环节的偏好，还介导了光线对于果蝇幼虫结蛹的作用[22]。

NP394神经元是否一直存活到成虫阶段？答案是肯定的。不过从已经发表的文献来看，

表达PTTH 的神经元在成虫阶段主要标记中央脑的椭球体结构[22]。而我们尚未发表的结果

则表明，幼虫阶段标记NP394神经元的Gal4，在成虫阶段标记的是上原脑(protocerebrum )

的神经元，这些神经元在形态上和幼虫的NP394神经元非常相似，而且在形态上很可能与

pdf 神经元仍旧保持连接关系(吕海龙，未发表结果) 。我们认为后一种的可能性更大，因为

我们使用了更多的Gal4品系，而且与pdf 神经元保持的连接关系也是很有力的证据。

总结

我们概括性地总结了果蝇幼虫视觉神经系统的已知成分，并大体勾勒出一个神经元网

络结构(图5) 。由于果蝇幼虫的神经元网络结构简单，且在一定程度上保持了与成虫的连

续性，越来越多的人们开始加入到这一研究中来。

从上述总结中我们也可以看到，在中枢神经系统的视觉神经元中，这些神经元不仅仅

是作为视觉信息载体发挥作用，同时也承担着其他受视觉信息调控的功能。比如说节律相

关行为，是由节律神经元和节律分子参与

决定的；而NP394神经元不仅介导了幼虫BO/BN

光偏好行为，同时也表达促胸腺激素，调

节幼虫结蛹这一重要的发育过程。这些视Lateral neuron

觉神经元都不是单纯的视觉神经元，而是

参与视觉相关功能的神经元。这也正是各NP394neuron

种功能整合区域的神经元所应该具有的

特点。

相信随着研究的深入，我们对于幼虫

视觉神经系统的了解也会越来越深入和图5幼虫中央脑的视觉系统神经元示意图

全面。Fig.5A schematic presentation of larval visual

neurons in central brain

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594ACTA BIOPHYSICA SINICA ｜Vol.27No.7｜Jul. 2011

GONG Zhefeng, LIU Li

State Key Laboratory of Brain and Cognitive Sciences, Institute of Biophysics, Chinese Academy of sciences, Beijing, 100101This work was supported by a grant from the National Natural Science Foundation of China (31070944)

Received:Mar 10, 2011Accepted:Mar 12, 2011

Corresponding author:GONG Zhefeng, Tel:+86(10)64888527,E-mail:[email protected]

Abstract:Vision is fundamental for animal survival and behavior. The visual system of Drosophila larva is of certain complexity and variety, though still relative simper compared with that of adult. In recent years, the Drosophila larval visual system in our knowledge has been greatly extended, together with the significant progresses in the functional study of larval visual system. In Drosophila larval system, the primary visual sensory neurons includes:BO/BN(Bolwig'sorgan /Bolwig's Nerve), neurons that express the light sensitive protein Cry, and class IV DA (dendriticarborization) neurons; the secondary neurons include the circadian rhythm related lateral neurons (LN,)which expresses circadian proteins such as Per (period),Tim (timeless)or Pdf (pigmentdispersion factor); while the tertiary neurons include further downstream neurons such as the PTTH (prothoracicotropichormone)-expressing NP394neurons which control larval light preference. These three layers of neurons make up the main structure of the larval visual system that we currently know. Key Words:Drosophila ; Larva; Visual system

DOI:10.3724/SP.J.1260.2011.00588www.cjb.org.cn ｜ACTA BIOPHYSICA SINICA

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