上川內Azusa
名古屋大學研究生院 理學研究科/變革性生命分子研究所（ITbM）教授
2022年起擔任創發研究者
聲音不過是空氣的振動，可人類為何能理解這些振動的含義？為解開這一謎題，研究蒼蠅和蚊子的大腦機制的，便是名古屋大學研究生院理學研究科的上川內Azusa教授。她將研究重點聚焦於以聲音為媒介的求偶交流——「求偶歌」，嘗試從神經廻路和分子層面揭開其中奧秘。如果能夠干擾蚊子求偶行為的聽覺系統，就有可能抑制蚊子繁殖，進而應用於傳染病的防治。
聚焦果蠅的振翅音
研究對象從蜜蜂轉向果蠅
人類在對話時，需先聽清對方發出的聲音，之後在大腦中明確聲音的含義並做出回應，如此，交流才能成立。「聆聽」這一行為，離不開聽覺器官、大腦中的神經廻路及資訊傳遞的作用。人類為何能將聲音作為交流工具？為解答這一問題，上川內Azusa教授將研究重點放在果蠅和蚊子的振翅音上，探究其大腦的工作機制。
上川內教授的實驗室以果蠅和蚊子振翅的聲音，以及接收這些聲音的聽覺器官和大腦為研究對象。她表示，自己從小就喜愛動物，對僅存在於同一物種間的交流方式充滿興趣。她回顧道：「人類能理解人類發出的聲音，但無法理解鳥類的鳴叫。同一物種之間如何通過順暢的交流共同生活、形成社會或尋找伴侶，我覺得這非常有趣，因此一直在進行研究。」
上川內教授在大學和研究生院期間的研究對象是蜜蜂。蜜蜂以通過「8字舞」向同伴傳遞食物位置等高度發達的交流能力而聞名。但在持續研究6年後，她逐漸感受到了實驗的難度。她解釋道：「蜜蜂的大腦過於複雜，難以進行詳細分析。而且當時也幾乎沒有能對特定神經細胞進行操作的基因編輯技術。」
為此，上川內將教授將研究對象換成神經細胞數量少、神經活動研究方法已趨成熟的果蠅。她當前的核心研究課題是基於聽覺的求偶交流。儘管昆蟲的求偶行為均以雌雄繁殖後代為目的，但不同種類、不同性別的昆蟲，其伴侶選擇策略卻各不相同。上川內教授希望將昆蟲研究中發現的求偶交流和聽覺相關機制，與其他生物進行對比研究，以便發現更多有趣的結論。她認為：「這或許能幫助我們探究人類為何會被音樂打動、不同人為何有不同的音樂喜好等問題。」
雌蠅的接受差異取決於是否有交配經驗
多巴胺是接受求偶的關鍵
果蠅是體長2～3毫米的昆蟲，100多年來一直被用於遺傳學研究（圖1）。雄蠅會通過振翅發出聲音來吸引雌蠅。這種聲音被稱作「求偶歌」，不同種類的果蠅擁有專屬的求偶歌節奏。上川內教授研究中使用的黑腹果蠅，黑腹果蠅雄蠅的求偶歌是每隔約0.035秒一次的脈衝聲。
圖1 研究室飼養的果蠅。容器底部鋪有含葡萄糖等成分的瓊脂，果蠅以此為食生長。實驗的前提是保證果蠅個體健康，因此日常的精細養護必不可少。
雌性通過傾聽求偶歌來判斷是否接受雄性的求偶。雌性並非總是接受求偶。例如，沒有交配經驗的成熟雌性交配意願高，容易接受求偶。而剛羽化或有過交配經驗的雌性則較難接受雄性的求偶。上川內教授表示：「即使是同樣的求偶歌，雌性聽到的感受可能因交配意願高低而不同。這種現象在神經細胞層面存在怎樣的差異？這種差異又受什麼控制？我們的研究就是從這些問題開始的。」
研究首先聚焦於果蠅觸角中負責聽覺的「江氏器」內的神經細胞。果蠅觸角單側約有200個這類神經細胞，是最先接收求偶歌資訊的部位。上川內教授通過分析公開的基因表現數據發現，在這類神經細胞群中，存在能接收神經遞質之一「多巴胺」的多巴胺受體。
隨後，研究團隊開展實驗，通過揚聲器向交配意願強烈的未交配雌蠅播放雄蠅的求偶歌（圖2）。實驗發現，雌蠅的神經反應僅在播放求偶歌時增強；而當抑制多巴胺受體的表達後，神經反應減弱，雌性接受交配的行為也會隨之減少（圖3）。
圖2 自主研發的實驗裝置之一。裝置底部裝有揚聲器，上方放置單獨飼養著1隻雄蠅和1隻雌蠅的容器。通過上方的攝像頭拍攝並分析播放聲音時果蠅的行為。
圖3 抑制未交配雌蠅的多巴胺受體表達後，其神經反應水平下降，交配接受度也隨之降低。而交配後的雌蠅，未觀察到此類變化。
另一方面，對剛羽化或有交配經驗的雌蠅開展相同實驗，並未觀察到神經反應減弱。上述結果表明，在未交配的雌性中，多巴胺提高了其對求偶歌的敏感度，使其更容易接受交配。多巴胺是包括人類在內的多種生物共有的神經遞質，因此它也可能被用於調節其他生物的聽覺反應。
蚊子是雄性傾聽雌性的振翅音
章魚胺和環狀分子參與其中
除果蠅外，上川內教授還致力於蚊子的聽覺與求偶交流的相關研究。其研究契機起源於她與曾在英國倫敦大學學院擔任博士研究員的Matthew Paul SU的相識。當時SU先生已在開展蚊子相關的研究，二人在英國皇家學會主辦的研討會上相識，SU先生主動向上川內教授發出了合作邀請。在此之前一直以果蠅為研究對象的上川內教授，因這次相遇對蚊子和果蠅的異同點產生了興趣，最終決定同時開展研究。
此後，SU先生於2019年來到日本，目前與上川內教授一同在名古屋大學推進研究。上川內教授談及研究趣味時表示：「雖然兩者都通過聽覺進行求偶交流這一點是共通的，但蚊子是雄性傾聽雌性的振翅音，因此雄性的聽覺系統更為發達。以往的研究中，幾乎沒發現果蠅的聽覺功能存在性別差異，而蚊子的聽覺則表現出明顯的性別差，探究為何會產生這種差異也很有趣。」
對多數蚊子而言，雌雄相遇的場所是被稱作「蚊柱」的大群蚊群。事實上，蚊柱中幾乎都是雄蚊，當雌蚊飛入蚊柱時，雄蚊會向雌蚊聚集，嘗試交配。此時，雌蚊會發出頻率約500赫茲的振翅音，雄蚊不僅能識別這種振翅音，還會通過晃動觸角頂端的「鞭節」，使其振動頻率接近雌蚊的振翅音，以此提高聽覺敏感度（圖4）。
圖4 雄蚊通過調節鞭節的振動頻率，敏銳地識別雌蚊的振翅音，進而靠近雌蚊嘗試交配。
為解析這一機制，上川內教授將目光投向了昆蟲體內的神經遞質「章魚胺」。章魚胺的作用與哺乳類動物的正腎上腺素相似，具有調節與行為控制、學習、記憶等相關的神經功能的作用。
研究發現，向埃及伊蚊體內注入章魚胺後，其鞭節的振動頻率最高可提升約200赫茲（圖5）。進一步的實驗表明，直接注入被認為介導章魚胺作用的環腺苷（cAMP），也會產生相同的變化，由此證實章魚胺與cAMP共同參與調控埃及伊蚊的聽覺系統。
圖5 向雄蚊注入章魚胺或cAMP後，其鞭節的振動頻率升高，聽覺神經對更高頻率振動刺激的反應也隨之增強。
上川內教授表示，未來希望驗證由章魚胺和cAMP介導的振動頻率調節是否實際參與求偶行為。她還對後續研究充滿期待：「我們發現另一種神經遞質血清素也能提高鞭節的振動頻率，但目前尚不清楚它與章魚胺的功能是如何分工的。希望未來能解開這一謎題」。
探索不使用藥物的抑制繁殖方法
還將探究蚊柱的形成機制
儘管蚊子作為研究對象極具吸引力，但對人類而言，它們是傳播瘧疾、登革熱等傳染病的棘手存在。目前雖使用藥劑滅蚊，但已出現抗藥性蚊蟲。上川內教授期待，如果能闡明振翅音和聽覺在求偶交流中的作用，將有助於開發聚焦於聲音的繁殖控制方法。例如，如果能讓雄蚊無法對雌蚊的振翅音做出反應，就能抑制繁殖，即使不直接滅蚊也可減少其數量。
通過解析雄蚊高度發達的聽覺功能，或許還能研發出利用聲音捕捉或驅趕蚊子的裝置。上川內教授充滿期待地表示：「我們的目標不僅是實驗室，未來更希望在野外環境中實現對蚊子行為的干預。」據悉，她已構思出包括利用無人機在內的多種研發思路。
研究團隊還在致力於探究蚊柱的形成機制。蚊柱中有時會聚集數百隻雄蚊，但關於它如何形成，以及為何蚊群間互不相撞，至今仍有諸多未解之謎。如果能闡明蚊柱的形成機制，或許可以利用該機制阻止蚊柱形成，從而抑制蚊子繁殖。
上川內教授於2025年獲得了表彰傑出女性科學家的猿橋獎。她表示：「收到了很多科研領域外人士的聯繫，得知大家關注我的研究內容，我感到非常開心」。昆蟲所感知的世界究竟是怎樣的？期待未來能取得更多新的突破。
（TEXT：島田祥輔、PHOTO：水野由佳）
原文：JSTnews 2026年3月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
