《Current Biology》：Selective adhesion preserves eye patterning as axonal retinotopy in the Drosophila brain
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本研究揭示了果蝇视觉系统中视网膜拓扑映射形成的新机制：不依赖于靶向引导，而是通过轴突间选择性黏附实现。研究人员发现，时间梯度与Flamingo（Fmi）和Sidekick（Sdk）两种黏附分子协同作用，精确维持了眼部模式在脑内的投射。计算模型进一步阐明，柔性黏附表面在模式生成中的关键作用，为神经环路发育提供了新见解。
在神经科学领域，大脑如何精确地映射外部感官世界一直是一个核心问题。对于视觉系统而言，视网膜上的邻近感受器需要将其轴突投射到脑内邻近的位置，形成所谓的“视网膜拓扑映射”（retinotopy），这是视觉信息处理的基础。传统观点认为，这种精确映射主要依赖于脑内靶区（如脊椎动物的上丘或果蝇的视叶）释放的分子梯度来引导轴突生长。然而，近年来的研究发现，果蝇（Drosophila）的光感受器轴突即使被异位投射到错误的脑区，依然能够形成有序的拓扑图谱，这强烈暗示了存在一种不依赖于靶区信号的、更为自主的发育机制。
为了深入探究这一机制，研究人员在《Current Biology》上发表了一项研究，聚焦于果蝇视觉系统中视网膜拓扑映射的形成过程。他们发现，眼部细胞的有序排列模式能够被轴突在投射过程中近乎完美地保留下来，其背后的关键驱动力并非来自目标脑区的化学吸引或排斥，而是源于轴突自身之间的相互作用——特别是两种特异性黏附分子Flamingo（Fmi，一种原钙黏蛋白）和Sidekick（Sdk，一种免疫球蛋白超家族黏附分子）所介导的“选择性黏附”。
研究人员首先巧妙地利用了一个自然存在的、独特的发育特征来验证他们的假说：果蝇复眼背腹半球的交界处存在一条概率性形成的锯齿状分界线，即“赤道”（equator）。他们通过精密的实验设计，对比了同一个体眼睛内光感受器细胞体的排列模式与其轴突终末在脑内视叶最外层的层状神经纤维网（lamina plexus）中的排列模式。结果令人惊讶地发现，眼睛内独特的、锯齿状的赤道线模式被完整无缺地“复制”到了大脑的轴突投射图上。这一现象表明，从细胞体到轴突终末，眼部的空间信息得到了精确的保存，强烈支持了轴突自组织模型。
为了揭示这种模式保存的分子基础，研究团队进行了一系列深入的探究。他们发现，在轴突生长的时间轴上，最早到达脑内的R2和R5感光细胞轴突，通过其表面高表达的Fmi分子，在轴突束之间（inter-bundle）形成了一个“赤道盲”（equator-blind）的正交网格状支架。这个早期的支架为后续轴突的到达和整合提供了结构基础。随后，R3/R4和R1/R6轴突依次到达，它们则更多地依赖于Sdk分子介导的轴突束内（intra-bundle）黏附作用，来维持与同束内邻居轴突的相对位置关系，从而确保每个小眼（ommatidium）的六根轴突在脑内也能保持正确的相对排列。
研究人员还借助计算模型来模拟这一动态过程。他们将轴突终末视为具有选择性黏附特性的柔性软体，在Unity游戏引擎中构建了模拟环境。模型成功地复现了轴突按行到达、通过Fmi和Sdk介导的黏附力进行自组织，最终形成有序视网膜拓扑映射的过程。令人惊奇的是，模型甚至自发地产生了与真实大脑中突触后层状神经元（Laminar neuron, L cell）树突形状高度匹配的空隙模式，这提示L细胞的形态可能很大程度上是由其周围R细胞轴突的主动排序行为被动塑造的。
当研究人员通过基因操作分别敲低或敲除fmi或sdk基因后，观察到了预期的表型：fmi的功能缺失导致轴突束间的粘连被破坏，在层状神经纤维网中留下空洞；而sdk的功能缺失则导致轴突束内的轴突发生“缠绕”（braiding），束内顺序被打乱。当两者同时缺失时，层状神经纤维网的结构几乎完全崩溃，轴突停滞在投射路径上无法正常整合。这些遗传学证据进一步证实了Fmi和Sdk在建立和维持视网膜拓扑映射中的关键且互补的作用。
本研究的关键技术方法包括：利用果蝇遗传学工具（如MARCM克隆、组织特异性RNAi、内源性基因标记等）在特定光感受器细胞或特定时间点操纵基因表达；共聚焦显微镜和膨胀显微镜技术进行高分辨率成像，以观察轴突的精确排列；以及活体成像技术追踪轴突生长和排序的动态过程。计算模型则用于模拟和验证基于物理相互作用的模式形成机制。
Fmi在早期到达的R2/5轴突中创建并维持层状神经纤维网中的轴突束间支架
研究人员发现，原钙黏蛋白Flamingo（Fmi）在最早到达脑内的R2和R5轴突中高表达，并在这些轴突之间形成了一种不区分眼背腹半球的、规则的正交网格模式。这种Fmi介导的轴突束间黏附力，为整个层状神经纤维网提供了一个初始的、稳定的空间框架。基因敲除实验表明，缺失fmi会破坏这种网格结构，导致轴突束之间的距离异常增大，形成空洞。
R1–6轴突束内组织的维持依赖于同型细胞黏附分子Sidekick
与Fmi主要负责轴突束间的“宏观”组织不同，免疫球蛋白超家族黏附分子Sidekick（Sdk）主要介导轴突束内的“微观”秩序。它像“胶水”一样将同一个束内的R1–R6轴突紧密地粘连在一起，防止它们在不同束之间发生交叉或错位。在sdk突变体中，尽管轴突束的整体排列大致保留，但束内轴突的相对位置发生了严重的混乱，R4轴突不再固定在其典型位置上。
轴突束间和轴突束内黏附协同作用确保视网膜拓扑映射的稳健性
研究表明，Fmi和Sdk的功能既是分工的，也是协同的。它们分别从“束间”和“束内”两个尺度上确保了轴突排列的精确性。这种双重保障机制使得视网膜拓扑映射的发育具有很强的鲁棒性，能够抵抗一定程度的内在变异和外部干扰。即使单个轴束发生旋转，这套系统也能通过相邻轴突间的黏附作用将其“拉回”正确的位置。计算模型很好地模拟了这种协同作用，并显示只有当两种黏附机制同时存在时，才能形成高度有序且稳定的最终模式。
基于R细胞轴突终末按行到达时间的计算模型生成了视网膜拓扑模式，包括突触后层状神经元的形状
研究人员开发的基于物理的计算模型成功地再现了视网膜拓扑映射的发育过程。该模型的核心要素包括：轴突按眼部发育的时间梯度依次到达；Fmi和Sdk介导的选择性黏附力；以及轴突终末的柔性物理特性。模型不仅生成了与生物实验观察一致的轴突排列模式，还意外地“预测”了突触后L细胞神经突的复杂形状，这表明L细胞的形态发生可能是一个由R细胞轴突主动排序所驱动的被动过程。
综上所述，这项研究揭示了果蝇视觉系统中视网膜拓扑映射形成的一种新颖且强大的机制：其核心是轴突本身通过时间顺序和选择性细胞黏附（主要由Fmi和Sdk介导）进行的自组织，而非传统认为的靶区衍生信号主导。这一“复合指令”模型强调了发育过程中时间线索、分子特性和物理相互作用之间的精妙协同。该发现不仅深化了我们对神经环路组装基本规律的理解，其揭示的基于简单规则产生复杂模式的原理，也可能为理解其他神经系统乃至生物形态发生的普遍规律提供重要启示。研究结果表明，在缺乏明确外部坐标系统的情况下，通过细胞间的局部相互作用同样能够建立起精确的宏观结构，这为发育生物学和神经科学提供了新的范式。
