在自然界中，從微生物到人類的很多物種都表現出驚人的聚集成群的現象。同種生物傾向于聚集形成一個緊密群體是非常重要的生存策略，有助于覓食，共同抵御外敵，提升對外界環境變化的敏感度，及增強群體決策等。從無序的個體到高度有序的群體結構的涌現是重要的生命過程，也是理解動物的群體行為起源和穩定機制的重要前提。
已有大量的研究關注于鳥群、魚群、蝗蟲等動物的群體大規模協同運動，提示個體間的相互作用促進了群體的動態特征形成【1-3】。但目前為止，受限于野外觀察條件、設備及動物本身的可操作性，個體間的相互作用是如何促進了群體結構的形成和控制成員間社交距離的分子和神經機制仍然不甚清楚，主要原因之一是缺乏有效的實驗室條件下的群體行為實驗范式。
2020年1月21日，生物物理研究所朱巖實驗室在eLife雜志上在線發表題為Emergence of social cluster by collective pairwise encounters in Drosophila的文章，揭示了在實驗室條件下果蠅自發聚集形成穩定有序的群體，這個高度動態過程涉及大量、但短暫的個體間相互作用。
果蠅（Drosophila melanogaster）是經典的模式動物，生命科學史上許多重要分子都是先在果蠅中發現并明確其功能的。從生物特性上看，果蠅基因組小，腦神經元數量少，但表現出豐富的行為；果蠅研究還具備便利的遺傳操作手段，因此果蠅是研究行為相關的分子和神經機制的首選模型。果蠅通常被認為是非社會性昆蟲，但也有研究發現果蠅在沒有任何外界刺激誘導時能表現出聚集趨勢【4, 5】，那么果蠅是如何自組織聚集成為穩定的群體的？群體內成員間的社會距離又是如何調控的？控制這一行為的神經環路機制是什么樣的？
朱巖實驗室近年來圍繞果蠅社會性的神經機制和分子機制進行一系列研究6。為了深入研究調控果蠅社會行為的機制，該團隊通過高分辨行為追蹤結合發現聚群行為依賴于大量的、成對的、不對稱的、短暫的個體相遇，而且相遇期間兩個果蠅的外周器官的觸碰是觸發這個行為的關鍵。進一步通過基因突變品系分析、手術介導功能失調等一系列手段研究發現，對于五種主要感知的剝奪會導致非正常的相遇，包括異常高（或低）的相遇頻率，相遇時長，瞬時接近速度，改變潛在的群體核心形成的快慢和頻率，從而使得整個群體無法形成。此外，通過神經元失活和光遺傳激活手段發現ppk特異標記的機械感知神經元在調控自組織行為中起到重要作用。失活ppk神經元抑制果蠅的自組織聚集行為；反之如果激活ppk神經元，果蠅表現為快速聚集并且社交距離顯著減小。進一步通過在體功能成像，該團隊發現在群體環境中位于果蠅腿部尖端的ppk神經元由于物理接觸而被特異性的激活，提示其在群體行為中的重要調控作用。利用計算機模擬長距離吸引作用和短距離排斥作用，他們發現這種高度規則的群體結構可以依賴于局部的個體感知和信息交流來實現。
圖1. 果蠅自組織聚集，不對稱相遇及ppk神經元的調控。
群體涌現是自然界保守的行為，解析該系統形成的規律及探究其背后的神經生物學機制對認識自然和理解動物行為十分重要。果蠅群體形成中個體間相互交流的規則的發現，對于研究更大規模更復雜的群體行為具有重要的指導價值，為揭開群體行為從發生到神經調控機制等一系列科學問題提供了研究思路和研究平臺。這些普適性規則還將為發展人工智能算法，進而通過仿生實現群體類腦智能（機器人群和無人機群的自組織、群體協作和群體智能）提供啟發。
博士生姜麗芬為本文第一作者，其他共同作者包括程亞鑫、高山、鐘印成、馬誠睿、王天宇。朱巖研究員為本文通訊作者。
參考文獻
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