来自中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所和生物物理研究所的研究人员，利用一种创新的双色钙成像方法，揭示了果蝇脑内特定功能区域中神经元微环路如何产生气味选择性的信息转换机制。该研究成果发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。

领导这项研究的是中国科学院院士郭爱克，他被誉为“果蝇院士”。郭院士建立了中国首个以果蝇视觉操作条件化为评价范式的实验室，并曾在《科学》杂志上发表文章，首次证明果蝇具有超越学习记忆的更高认知行为。

在神经系统中，单个神经元通常接收来自多个突触前神经元的输入，并将这些输入整合为单一输出信号。因此，神经元对外界刺激的反应特性很大程度上由其突触前神经元的反应特性转换而来。如果能逐一测量一个神经元所接收的突触前神经元的反应，并与该神经元自身的反应进行比较，就能清晰了解其参与的环路计算。然而，由于神经环路结构极端复杂，此前尚无有效策略能逐一找出某一神经元的突触前神经元并进行详细功能研究。

在这项研究中，研究人员引入了一种基于双色钙成像的新策略，并将其应用于果蝇的蘑菇体神经元（Kenyon cells, KC）。蘑菇体是果蝇脑中与学习和记忆相关的重要结构。他们利用绿色钙指示蛋白G-CaMP标记单个KC，同时用红色钙指示蛋白R-GECO标记多个前级的投射神经元（projection neurons, PN）。通过结构追踪，可以分辨出单个KC从哪些PN轴突末梢接收输入，并用功能成像同时测量该KC及其接收的PN轴突末梢对气味的反应。

使用这一策略，研究人员发现单个KC对气味的反应选择性在很大程度上可以从其所接收的PN轴突末梢的气味反应进行预测。只需将这些PN轴突末梢的气味反应进行线性相加，并将结果与预先设定的阈值比较，就能较为精确地预测单个KC对哪些气味起反应。这表明KC对气味的反应选择性主要由其接收的突触前PN的反应特性决定。即使某一气味不能激活KC的输出，也经常能在该KC的树突上观察到空间上局限于突触后位点的钙反应。这种局部钙反应很可能对应于单个PN轴突末梢激活在KC中引起的阈下兴奋性突触后电位。单个局部钙反应的大小与其相应的突触前PN轴突末梢的钙反应大小常呈线性相关，使作者得以测量单个突触位点的突触强度。此外，单个KC接收的PN轴突末梢数目与这些PN-KC突触的平均强度呈反相关。

这项工作引入的策略为果蝇蘑菇体中的信息传递和整合过程提供了全新视角，并一定程度上揭示了蘑菇体神经元气味编码特性的来源。未来，该策略有望应用于其他多种环路，以揭示更复杂的神经元反应特性是如何产生的。

当前，绘制人类“智力蓝图”已成为国际生命科学研究的制高点。2013年2月，美国总统奥巴马在国情咨文中提出“脑活动图谱计划”（BRAIN Initiative），旨在绘制活体大脑内每个神经细胞上每个电脉冲的图谱。中国科学院经过多年研讨，于2012年11月率先启动“脑功能联结图谱”战略性先导科技专项（B类），该专项与美国BRAIN Initiative的主要区别在于，它选择性地描述各脑区特殊种类神经细胞群之间的功能性联结和运作，并基于脑科学发展态势，选择感觉、情绪、学习记忆、决策等重要脑功能，力求完整描述正常生理和病理状态下这些神经网络联结的构造和运作机制。