大规模行为学试验否定果蝇磁感应假说

撰文 | 阿童木

一些夜间迁徙的鸟类能利用地球磁场获得导航信息，在漫长的迁徙过程中准确地找到目的地，该磁场感应机制普遍认为具有光依赖性。然而这种光敏性磁感应能力的产生机制还未完全解析，最有可能假说是基于鸟类视网膜内感光物质隐花色素蛋白（cryptochrome）可激发形成自由基对，这些自旋量子相关的自由基对受磁场影响而发生构象变化，最终导致神经生物电信号，使鸟类感知磁场方向（图1）【1】（详见BioArt报道：Nature | 不路痴的秘密：夜行游鸟的小小指南针——隐花色素蛋白CRY4作为磁感应受体发挥作用的机制）。这一理论目前得到许多实验证据的支持, 但因为对野生鸟类的遗传操作具有极大难度，关键的直接验证仍有困难。

图1 鸟类磁感应机制模型【2】

为了找到更方便的模式生物来研究磁感应机制，一些研究者转而使用果蝇进行相关研究。尽管果蝇是否真正需要利用地磁导航还不明确，但近年来一些有影响力的研究（3篇Nature）暗示果蝇的某些行为会受到隐花色素蛋白介导的磁场影响【3-7】。例如，在T型迷宫实验中，暴露在外加磁场中的果蝇会规避该磁场，而如果把蔗糖奖励与磁场相偶联， “经过训练的”果蝇则会被吸引进入磁场所在的迷宫通道。另外还有研究显示磁场信号可以影响果蝇的负趋地性行为。近年来这些有关果蝇磁感应性的重要发现暗示了果蝇有望成为研究磁敏感性分子机制和遗传基础的重要模式生物。

2023年8月9日，德国奥登堡大学Henrik Mouritsen实验室和英国牛津大学P. J. Hore实验室合作在Nature杂志发表了题为 No evidence for magnetic field effects on the behaviour of Drosophila 的研究文章，利用大样本量T型迷宫和负趋地性攀爬测定两种实验系统，对果蝇的磁感应性进行了测定，然而作者发现果蝇并不能将对磁场的反应和蔗糖奖励联系起来，静态磁场也不能影响果蝇的固有爬行行为；通过重新评估原始研究的实验设计、统计方法和样本量，作者认为之前的大部分研究结果都存在假阳性。因此，作者认为果蝇并不存在磁敏感性，夜间迁徙性鸟类仍是探究光依赖性磁定位机制的最佳选择。

作者首先尝试了之前研究中广泛使用的二元选择性T形迷宫测定法，即在屏蔽非磁场影响的迷宫的一条通道中施加了约500微特斯拉的磁场，而另一条通道中没有磁场，随后将果蝇暴露于由线圈产生的静态磁场和/或地球磁场，评估磁场对果蝇行为的影响。之前研究中发现未曾暴露于外加磁场的“未训练”果蝇在迷宫中会选择避免这一磁场，而经过一次外加磁场“训练”（将蔗糖奖励与外加磁场联系起来）后，果蝇在迷宫中会更喜欢磁场通道。而在本研究中，无论是未经训练的果蝇还是经过训练的果蝇，作者都没有观察到对外加磁场的偏好或规避。相比之下，通过类似的程序和蔗糖奖励，作者发现果蝇很容易被训练产生对气味的条件反射。由于无法重复已发表的研究结果，作者又改变了实验条件，如将训练次数从1次增加到4次，将受试果蝇改变为野生捕获的果蝇、不同发育时期的果蝇、在自然光下饲养的果蝇以及未经电磁屏蔽的果蝇，改变蔗糖浓度等等。经过984组近10万只果蝇的测试，作者发现无论是否经过外加磁场的训练，果蝇都没有表现出对T形迷宫中磁场的趋避行为。

针对该不一致性，作者重新评估了之前文章中的统计分析结果，并意识到之前的数据分析中隐含地假设每只果蝇个体都是真正的生物复制体（true biological replicate），其做出的选择与迷宫中其他果蝇相互独立，独立性假设对于将t检验应用于偏好数据是至关重要的，但t检验在群体试验中会通过伪重复导致显著性膨胀，使偏好与规避磁场的果蝇比例的相对较小差异获得了非常显著的p值。鉴于统计分析的不严谨性，作者认为之前研究中得到的果蝇对外加磁场的趋避性结论存在假阳性。

在重复T型迷宫试验无果后，作者通过评估一种不需要条件训练的自发果蝇行为（本能性负趋地性，original negative-geotaxis），测试了果蝇对外加磁场的反应，即在暗蓝光下将装有果蝇的塑料管放置在两个电磁线圈之间，随后在（不）存在外加磁场条件下测试果蝇从管底部爬升的速率（即负趋地性反应）。利用该方法，Fedele等发现外加磁场能够抑制果蝇从塑料管底部爬升的速率【6】。作者复刻了Fedele等的实验条件，但发现无论是否存在外加磁场，测试果蝇的负趋地性活动没有差异，但作者能够重复Fedele等的另一项发现，即暴露于红光的果蝇比蓝光下测试的果蝇攀爬要慢，但这与是否外加磁场无关。作者改进了实验条件，如使用不同果蝇品系、改变磁场强度、改变环境光源波长和精细量化攀爬行为等，但无论如何都不能得到外加磁场影响果蝇负地性逃逸这一结论。

作者经过对不同品系的超过10万只果蝇的磁感应行为进行为期6年的大规模精细测试，并结合准确的统计分析方法，确定了果蝇对磁场没有天然的偏好，且果蝇的负趋地性运动也不受外加磁场的影响。至于之前研究得到的假阳性结论，作者认为这是由于样本量偏小、环境因素的干扰及统计方法的不准确所导致的，它们的样本量比本研究所使用的要小得多，静态和时间相关的磁场环境也没有像本研究一样得到精确地控制。

果蝇并非迁徙性昆虫，并不依赖于磁信号介导季节性和长距离迁飞，暗示了果蝇可能并不存在通过磁场改变行为模式的强烈需求，因此果蝇可能并不是研究磁感应现象的理想动物模型。

破解动物体的光依赖性磁感应机制没有捷径，还是聚焦于夜间迁徙鸣禽吧！

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06397-7

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