科学家操控果蝇爱上同性，揭示神经连接密码，或催生更强大AI

一只原本对同伴毫无兴趣的雄性果蝇，会不会突然开始疯狂地向其他雄性求爱。这看起来有点荒诞不羁的场景，发生在了北京大学校友、美国斯坦福大学骆利群课题组博士后、即将于 2026 年回国入职西湖大学的吕程的实验台上。

他和合作者针对果蝇大脑进行了神经元重连，不仅改变了大脑对气味的响应，甚至逆转了它们的社会行为。具体来说吕程将一只经过“换线”改造的雄性果蝇和一只正常的雄性果蝇放在一个小房间里进行观察。

在正常情况下，雄性果蝇之间会保持一定距离，很少会向对方求爱。然而，那只被改造过的果蝇却出现了惊人的行为：它频繁地向那只正常雄性果蝇振动翅膀求偶，而这其实是果蝇界典型的“求婚”仪式。

更有趣的是，当把五只都改造过的雄性果蝇放在一起时，场面一度非常混乱：它们互相追逐、求爱、甚至形成了求爱链，比如一只果蝇在追求前面的同伴，而自己也被身后的另一只果蝇追求着。这说明，通过改变果蝇大脑最基础的硬件连接，一种固有的社会行为被成功逆转了。

或可启发更强大 AI

在应用上：首先，可以启发更强大的 AI。当前 AI 主要是模仿大脑处理信息的“软件”功能，而这项研究告诉我们大脑在“硬件”也就是连接结构的设计上本身就蕴含着深奥的智慧。

比如，为何大脑会演化出这样一套连接规则？这些规则如何保证系统的稳定和高效？如能从这种发育工程学中获得灵感，或许可以帮助人们设计出更加接近人脑、更加高效技能的新一代 AI 网络结构。

吕程告诉 DeepTech：“当前神经网络模型主要从大脑的功能层面获取启发。我们相信，从发育角度理解神经连接的形成原理同样至关重要。发育过程所遵循的特定规则，可能导致某些连接模式根本无法实现。

这一发现将启发 AI 领域重新审视现有模型的约束条件，通过调整或简化部分假设，有望为优化下一代 AI 模型提供重要的理论指导。”

其次，可用于理解大脑疾病的根源。许多神经发育疾病比如自闭症，很可能源于大脑在发育初期的“电路连接”发生了细微的错误。而这项研究提供了一个强大的模型，让人们能够直接研究特定的连接错误如何导致了特定的行为异常，从而有助于治疗这类疾病。

“我们的工作首次完整揭示了从神经发育到功能实现的全过程链条，为全球脑科学计划中‘理解先行’的研究路径提供了一个具体范例，这将有力推动更多类似研究的开展。”吕程告诉 DeepTech。

再次，可用于探索生命的演化。物种的大脑在演化过程中是如何变化的？未来也许不需要创造全新的基因，只需要通过调整现有“身份证”的组合方式、微调大脑的连接，就能产生新的行为，从而更好地适应环境。

大脑的“身份证”与连接密码

我们的大脑是一个无比复杂的“电路板”，神经元则是上面数以亿计的“电线”，神经元按照一张精密的蓝图连接在一起。正是这些连接让我们可以识别身边人的声音、感受到冰淇淋的甜美、甚至学会骑自行车。但是，假如人们可以像电工更换电路一样改变大脑的连接，会发生什么呢？

在我们的大脑中，不同类型的神经元只有找到正确的合作伙伴并进行连接才能正常工作。这个过程就像一个超大规模的相亲大会，每个神经元都必须凭借自己携带的“身份证”也就是细胞表面蛋白来找到正确的伴侣，同时拒绝错误的匹配。

人们很早就发现了这些“身份证”，但一直存在这样一个谜团：大脑的连接如此精确，仅仅依靠一两种蛋白就能实现吗？毕竟对于人类来说，我们很难仅仅凭借性别这一条信息来从茫茫人海里找到唯一对的那个人。

此前，人们曾尝试只依靠改变一种“身份证”，结果发现大脑连接只产生了微小的变化，仿佛大脑有着强大的备份系统。这引出了两个核心问题：首先，需要同时改变多少种“身份证”，才能完全欺骗大脑，让它建立一套全新的连接？其次，这种硬件的换线，真的会改变动物的思维和行为吗？

果蝇：小而精的完美实验室

为了解决这些难题，吕程选择了生物研究的老朋友——果蝇作为研究对象。这种小小的生物虽然其大脑只有大约 10 万个神经元（人脑有 860 亿），但是果蝇的嗅觉回路的结构出奇的规整和清晰。

在果蝇的嗅觉大脑中，有大约 50 种不同类型的“气味探测器”即嗅觉受体神经元，每种探测器专门负责探测一系列特定的气味分子。更神奇的是，每一种探测器都会精确地连接到一种“信息中转站”即投射神经元上。

它们连接的地点是一个名为嗅小球的微型结构。这种一对一的、规整的连接方式，为吕程提供了一个绝佳的“电路图”，让他可以清晰地观察并尝试修改其中的连接。

研究中，吕程设计了一个非常巧妙的实验，并选择了两条特定的线路。第一条线路是 DA1 线路，可被用于专门探测一种名为 cVA 的雄性信息素。当这条线路被激活时，会向雄性果蝇大脑发送禁止求爱的信号，从而可以有效抑制雄性果蝇之间的求偶行为。

第二条线路是 VA1v 线路，可被用于专门探测另一种名为 PA 的果蝇信息素。当这条线路被激活的时候，则会发出可以追求的信号，从而促进雄性果蝇的求爱行为。

而吕程更是定下了一个颇为大胆的目标：把 DA1“探测器”的线路，从它原本的禁止求爱中转站上拔下来，硬生生地接到促进求爱的 VA1v 中转站上去。

这就相当于把火灾报警器的线，接到了晚会彩灯的开关上。结果就是一旦有火灾（即探测到 cVA），触发的不是刺耳的警报，而是狂欢的彩灯。

破解密码与三重改造策略

要实现这个目标，就得破解果蝇大脑的连接密码。为此，吕程和合作者们重点研究了 10 种关键的细胞表面蛋白“身份证”，并将它们分为两类：第一类是吸引力“身份证”，它就像磁铁一样，帮助正确的伙伴相互吸引和稳定连接。

第二类是排斥力“身份证”，它就像同极相对的磁铁，可以防止神经元与错误的伙伴连接。基于此，吕程制定了三重改造策略，只针对 DA1 探测器进行基因改造。

第一种改造是增强排斥（R+），让 DA1 探测器与其原配搭档即 DA1 中转站之间的关系变差。通过在 DA1 探测器上过量表达某些排斥性蛋白，这相当于在原配之间制造矛盾促使它们分手。

第二种改造是减少排斥，让 DA1 探测器与它的新目标即 VA1v 中转站之间的障碍消失。通过降低 DA1 探测器上的某种排斥蛋白的水平，来拆除它和新搭档之间的隔阂。

第三种改造是匹配吸引，让 DA1 探测器与它的新目标即 VA1v 中转站之间看对眼。通过调整 DA1 探测器上吸引力蛋白的种类，使其匹配新搭档的喜好，这就相当于给它们制造共同话题。

起初，吕程像试密码一样，一次只改变一种蛋白，结果大脑的连接只有轻微的变化。这印证了之前的猜想：大脑的连接具有冗余性，非常稳固。但是，吕程没有放弃，而是开始尝试组合密码。

令人惊喜的是，当他将五种特定的蛋白（Kek1, Fili, Ptp10D, Ten-a, Con）进行组合改造时，奇迹发生了。在显微镜下，DA1 探测器的线路几乎完全脱离了原配的 DA1 中转站，并与新的 VA1v 中转站紧密地缠绕在了一起。这意味着果蝇大脑的电路重连首次在解剖结构上实现了。

人工调控实现行为巨变

但是，线路接上了并不等于可以正常运行。因此，还需要验证这条新线路是否真的能够传递信号，以及是否真的能够最终改变果蝇的行为。于是，吕程使用了一种成像技术，通过该技术可以实时看到神经元在活动时发出的荧光。

结果发现在正常的果蝇大脑中，VA1v 中转站只对促进求爱的 PA 气味有反应，对于禁止求爱的 cVA 气味则产生了抑制。而在更换线路之后的果蝇大脑里，VA1v 中转站同时对 PA 和 cVA 都产生了兴奋反应。

这意味着新的连接不仅是物理上的，更是功能性的。原本意味着“离我远点”的 cVA 信号，现在通过新的线路变成了一个“过来玩吧”的错误指令。

为了证明本次方法并不是一个特例，吕程又将另一类探测器 VA1d 的线路，成功引导到三种完全不同的果蝇大脑中转站，这表明本次发现的这套换线策略和密码组合，很可能是果蝇大脑连接的一种通用语言。

吕程告诉 DeepTech：“这项研究的创新点可总结为两个‘首次’：首先，这是首个通过改变细胞表面蛋白成功在发育过程中实现对神经连接进行完整重塑的研究。

其次，这是首次发现通过改变特定神经网络的连接结构，能够直接影响该网络的神经活动，并最终成功调控动物的复杂社交行为。”

未来，他将运用在此研究中建立的方法体系，致力于拓宽发育与功能相结合的研究范式，将其应用于认知神经网络领域。

参考资料：

相关论文 https://www.nature.com/articles/s41586-025-09769-3

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