要说冬天困难二三事，起床绝对是其中的一项！
冬天的早晨，严寒与睡意联手，仿佛施下了“床上封印”，使得离开温暖的被窝成为一项艰巨的任务。尽管有句老话叫“早起的鸟儿有虫吃”，但在冬天，这句格言似乎也遭遇了自然法则的挑战——就连那些通常活跃的小生物，比如果蝇，也可能选择多赖床一会儿。
来自美国西北大学的Marco Gallio教授团队发现，果蝇触角中有一类特殊的神经细胞，专门负责感知外界低温，当环境温度低于果蝇的适宜温度（25℃）时，这些神经细胞便会持续活跃，向大脑发出 “寒冷” 信号，使得DN1a神经元减少活跃度，导致白天睡眠时间增加。这一成果发表在Current Biology，题为A Circuit Encoding Absolute Cold Temperature in Drosophila，或许为我们解释了为什么在寒冬中我们更倾向于贪恋被窝的温暖。
生物钟下的昼夜节律：果蝇与人类的共通作息规律
在自然界的生物中，无论是微小的果蝇还是复杂的人类，都遵循着一种内在的时间机制——生物钟，它以大约24小时为周期调控着我们的休息和活动。夜晚降临，万物归于寂静，准备进入梦乡；而当晨曦初露，随着光线的增强，体内控制睡眠-觉醒周期的神经网络开始活跃起来，唤醒沉睡中的生命。
对于果蝇来说，这种日常作息模式同样适用，它们通常选择在夜间休憩，在黎明时分随着光照的变化逐渐变得活跃。
果蝇体内的“温度计”
为了深入探究温度对睡眠调节的重要性，科学家们运用了前沿的技术手段，如荧光标记、双光子钙成像技术，并结合了解剖学和神经遗传学的方法，揭示了果蝇应对低温环境的独特机制。
更深入的研究发现，这些冷激活感觉神经元的轴突汇聚于果蝇大脑后触角叶（PAL）内的一个特定区域——“冷”小球。这个区域就像一张简单的感官地图，它负责将外界温度的信息传递给大脑的核心部分，以便进行进一步的处理和整合。这一发现揭示了果蝇大脑中存在一个专门用于解析温度信号的区域，该区域可以被形象地称为“冷”中心，它接收来自触觉感觉神经元的输入，精确反映外部环境的寒冷程度。
简单来说，当外界温度降低时，果蝇触角内的特殊神经细胞会如同灵敏的温度计一样开始活跃起来，向大脑报告当前的寒冷程度。这些神经细胞的反应就像是你感受到寒意时身体本能地缩手缩脚一样，它们不仅感知寒冷，还将这一信息传达给大脑中的特定区域，确保果蝇能够及时调整行为以适应环境变化。通过这种方式，果蝇得以巧妙地利用其神经系统来应对多变的气候条件，维持自身的生存和健康。
图1. 三种不同的外周冷感觉神经元群体驱动TPN-IIs的活动
温度信号的神经传递——TPN-IIs细胞
为了进一步解开温度信息在果蝇大脑中传递的谜团，研究人员利用了光激活GFP（绿色荧光蛋白）技术来追踪“冷”信号路径。研究揭示：这些低温信号并非孤立存在，而是被传递给了一群特别的神经细胞——TPN-IIs。与大多数神经元不同，TPN-IIs细胞不会迅速适应持续的低温环境，反而会持续不断地发出信号，直至温度回升。这种持久的响应机制确保了寒冷信息能够长时间有效地传达。
更关键的是，研究人员发现，TPN-IIs细胞通过GABA能突触（GABAergic synapse）直接抑制了DN1a神经元的活动。DN1a神经元作为果蝇昼夜节律网络中的核心成员，负责调节日常的睡眠和觉醒模式。低温不仅影响着DN1a神经元的常规活动，即使在其表现出昼夜节律性波动的情况下，寒冷依旧能显著降低其活跃程度。这意味着低温可以直接作用于这些至关重要的昼夜节律神经元，从而调整果蝇的作息规律。
图2. TPN-IIs靶向昼夜节律钟网络中的DN1a背神经元群
图3. TPN-IIs在冷条件下通过GABA释放强烈抑制DN1a活动
天气冷了，连果蝇也想晚点起！
在行为层面，研究者观察到，在低温条件下，果蝇表现出早晨睡眠增加、日常活动减少的现象。与此同时，夜晚的活动和睡眠量有所下降，而午睡的时间则提前开始。这些变化显然是果蝇为了适应寒冷环境所做出的行为调整。
当研究人员通过遗传手段抑制DN1a或TPN-II神经元的输出，以模拟低温环境时，他们发现果蝇即使在25°C这一适宜温度下，早晨的睡眠时间也会显著延长。此外，这种抑制还阻止了果蝇对低温环境下睡眠模式的适应性重构。这也进一步验证了这些神经元在调节睡眠和觉醒模式中的关键作用。
图4. 遗传沉默DN1a或TPN-II扰乱了冷诱导的正常日间睡眠重构
光与冷温度的协同作用
研究还进一步探讨了光和冷温度如何协同影响果蝇的睡眠和活动模式。在光/暗周期中，光和低温共同作用，增加了果蝇的睡眠需求。当缺乏光信号时，阻断DN1a神经元的输出会导致果蝇即使在温暖的25°C环境中也无法在早晨正常醒来。这表明，光和温度是影响果蝇睡眠和觉醒行为的重要因素，二者相互作用，共同调节着果蝇的昼夜节律。
最后，研究揭示了DN1a神经元在整合来自昼夜节律钟和温度信号信息方面发挥着关键作用。这些神经元不仅对光有反应，而且这种光敏感性能够在一定程度上克服低温对DN1a的抑制作用。这一发现突显了DN1a神经元在处理外部环境信号和内部生物钟信号中的核心地位，使果蝇能够动态调整其睡眠和觉醒模式，以适应不断变化的环境条件。
图5. 睡眠和DN1a活动受到光和冷温度的对立推动的调节
小结
综上所述，本研究通过一系列精细设计的实验，揭示了果蝇如何利用专门的神经回路来感知和响应低温，以及这个回路如何与昼夜节律和睡眠模式相互作用。这些成果不仅加深了我们对果蝇温度感知机制的理解，也为探索其他动物乃至人类的温度感知提供了新的视角。
所以，当你在寒冷的冬日早晨不愿离开温暖的被窝时，不必感到孤单。无论是栖息在实验室中的小小果蝇，还是忙碌于日常生活的你我，都在用一种共同的语言回应着自然界的呼唤，那就是对环境变化的敏锐感知和适应——你体内的神经元在试图告诉你：“外面太冷了，再多睡一会儿吧！”
Alpert MH, Frank DD, Kaspi E, et al. A Circuit Encoding Absolute Cold Temperature in Drosophila. Curr Biol. 2020;30(12):2275-2288.e5. doi:10.1016/j.cub.2020.04.038
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