本研究由Douglas A. Nitz、Bruno van Swinderen、Giulio Tononi和Ralph J. Greenspan合作完成，研究机构为The Neurosciences Institute（美国加利福尼亚州圣地亚哥）。研究成果以《Electrophysiological correlates of rest and activity in Drosophila melanogaster》为题，于2002年11月19日发表于《Current Biology》（Volume 12, Issue 22, Pages 1934–1940）。
学术背景
该研究属于神经科学与睡眠生物学交叉领域，旨在探究果蝇（Drosophila melanogaster）静止状态与活动状态下脑电活动的差异及其与哺乳动物睡眠的相似性。此前研究发现，果蝇的长时间静止状态（≥5分钟）具有与哺乳动物睡眠相似的特征，如觉醒阈值升高和基因表达改变（Hendricks et al., 2000; Shaw et al., 2000）。然而，果蝇是否具有与哺乳动物类似的睡眠相关脑电活动模式尚不明确。本研究首次尝试通过记录局部场电位（Local Field Potential, LFP）来揭示果蝇休息与活动状态的神经电生理相关性。
研究流程
1. 实验对象与准备
- 样本：使用2-7日龄的野生型果蝇（Canton-S品系）及转基因品系（如c309/UAS-shits1、d42/UAS-shits1和parats1突变体），每组样本量3-12只。
- 固定方法：通过紫外光固化氰基丙烯酸酯胶水将果蝇头胸部固定于钨丝环上，保留附肢自由活动（图1）。
- 电极植入：在立体定位控制下，将记录电极插入内侧前脑（Medial Protocerebrum, MPC）蘑菇体之间，参考电极插入视叶（Optic Lobe），接地电极置于胸部。
2. 数据采集系统
- LFP记录：使用12μm镍铬丝或玻璃微电极（充填人工脑脊液），信号经Grass DP-304放大器放大（10,000倍，带通滤波1-100 Hz），采样率300 Hz。
- 运动监测：通过红外激光阴影法或胸电极振动信号量化运动，两种方法相关性验证（r=0.45-0.82）。
- 温度控制：采用红外光束聚焦加热（精确控温至38°C），用于激活温度敏感突变体（如shits1和parats1）的神经抑制表型。
3. 实验设计
- 基础记录：持续4-12小时LFP与运动同步记录，分析静止（≥5分钟）与活动期差异。
- 遗传干预实验：
- c309/UAS-shits1：热抑制蘑菇体突触传递，验证LFP信号来源。
- d42/UAS-shits1：热诱导运动神经元瘫痪，排除运动伪迹。
- parats1：温度敏感钠通道突变体，验证神经活动抑制效应。
- 觉醒阈值测试：通过机械敲击或光刺激评估静止期与活动期的觉醒反应差异。
4. 数据分析
- LFP特征提取：识别峰电位样电位（Spike-like potentials，持续5-50 ms，振幅0.05-4.0 mV），计算负向电位占比（76% vs正向）。
- 功率谱分析：积分3-50 Hz频段功率，比较静止期与活动期差异。
- 统计方法：采用5秒分段分析，计算运动与LFP功率的相关系数（r=0.04-0.19）。
主要结果
LFP信号特征：
- MPC区域记录到显著的峰电位样电位，视叶记录中较少（MPC-视叶差分记录功率比双侧视叶记录高96%）。
- 静止期峰电位频率降低，总功率下降60.5%（范围39.5%-77.6%），但未发现类似哺乳动物睡眠纺锤波的特异性波形。
遗传干预验证：
- c309/UAS-shits1果蝇加热后，MPC峰电位抑制（图3a），而运动持续；d42/UAS-shits1加热后运动瘫痪但LFP保留（图3b）。
- parats1突变体加热后LFP活动完全抑制（图3c），证实神经活动依赖性。
觉醒阈值关联：
- 静止期果蝇对刺激（敲击或光）的反应强度显著低于活动期（表1），如敲击诱发运动响应降低5-9倍（p<0.05）。
结论与意义
本研究首次证明： 1. 果蝇静止状态伴随MPC区域LFP活动普遍降低，与哺乳动物慢波睡眠（SWS）的神经抑制模式相似。 2. 通过遗传工具精确定位LFP信号源（如蘑菇体），为无脊椎动物神经环路研究提供新范式。 3. 提出果蝇”睡眠样状态”的神经机制假说：突触传递减少或神经元放电抑制可能是跨物种睡眠功能的保守特征。
研究亮点
方法创新：
- 开发活体果蝇LFP记录技术，解决微型生物电信号采集难题。
- 结合红外运动监测与温度敏感遗传操作，实现神经活动与行为的解耦分析。
理论贡献：
- 为无脊椎动物睡眠的神经机制研究奠定电生理基础。
- 支持睡眠功能可能起源于早期神经系统的进化假说。
其他价值
- 技术流程（如电极定位验证采用伊文思蓝染色）可为后续昆虫神经电生理研究提供参考。
- 发现果蝇LFP缺乏哺乳动物睡眠特征波（如δ波），提示睡眠神经标记可能存在物种特异性分化。