双通道全脑成像揭示行走果蝇中多巴胺与钙信号的不同动态特征

在行为过程中同时记录全脑范围内神经元的细胞内与细胞外信号，对于揭示大脑信息处理机制至关重要。在果蝇中，尽管已经开展了大规模记录研究，但同步双通道全脑成像仍然是一项重大挑战。我们开发了一套适用于成年行走果蝇的系统，将傅里叶光场显微镜与双焦点微透镜阵列相结合，在满足分辨率要求的同时扩展了成像体积。该光学系统进一步结合了跨模态三维配准与分割流程，以整合功能数据与结构数据。利用该系统，我们在运动过程中同时测量了全脑范围内的细胞内钙活动和细胞外多巴胺释放。 我们发现，多巴胺与钙信号的功能图谱及神经动力学在全脑范围内以及特定脑区分区内均存在差异，尤其是在蘑菇体和中央复合体中，这与它们的解剖学基础相一致。钙与多巴胺对运动行为的表征均呈分布式，但表现出不同的模式。根据对特定运动动作的响应，蘑菇体各分区在功能上可分为两种类型。向前行走或加速会增强由PAM多巴胺能神经元支配分区的活动，同时抑制由PPL1多巴胺能神经元靶向分区的活动。相反，向后行走或减速会增强PPL1的活动，同时降低PAM的活动，这与这些神经元在编码趋近与回避选择中的功能相一致。值得注意的是，单一分区的活动即可可靠地解码行为选择。我们的研究结果涵盖了全脑、脑区以及单分区等多个尺度，表明该系统能够揭示行为动物中跨多尺度、跨通道的神经动力学。

在行为过程中同时记录全脑范围内神经元的胞内与胞外信号，对于揭示大脑信息处理机制至关重要。在果蝇中，大规模记录虽已得到探索，但同步双通道全脑成像仍然是一个重大挑战。我们开发了一套系统，将傅里叶光场显微镜与针对成年步行果蝇优化的双焦点微透镜阵列相结合，在满足分辨率要求的同时扩展了成像体积。该光学系统进一步结合了跨模态三维配准与分割流程，以整合功能与结构数据。利用该系统，我们在运动过程中同时测量了全脑范围内的胞内钙活动和胞外多巴胺释放。

我们发现，多巴胺与钙信号的功能图谱和神经动力学在全脑范围内以及特定分区内均存在差异，尤其是在蘑菇体和中央复合体中，这与它们的解剖学基础一致。钙和多巴胺对运动的表征都呈分布式，但表现出不同的模式。根据对特定运动行为的反应，蘑菇体分区在功能上可分为两种类型。前向行走或加速会增强由PAM多巴胺能神经元支配的分区中的活动，同时抑制由PPL1多巴胺能神经元靶向的分区中的活动。相反，后退行走或减速会增强PPL1的活动，同时降低PAM的活动，这与这些神经元在编码趋近与回避选择中的功能一致。值得注意的是，单一分区的活动即可对行为选择进行可靠解码。

我们的发现涵盖了全脑、脑区以及单一分区多个尺度，表明该系统能够揭示行为动物中跨多尺度与多通道的神经动力学。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.05.29.728103v1?rss=1

🏷️ 果蝇 全脑成像 多巴胺 钙信号 神经动力学 行为编码