昆虫神经行为严重影响人类福祉。昆虫传粉行为直接影响人类最为关切的生物多样性问题及粮食安全,其捕食和繁殖行为危害人类的经济作物和森林;其传播病毒威胁人类健康和畜牧业发展。因此,研究昆虫对目标探测、追踪的感觉和认知神经机制一直以来为科学界、仿生工程学界和军事界高度关注。大量研究已经证实,许多昆虫以空气流为基础信号,同时给合气味信号以实现对威胁、食物、配偶等目标的快速探测、追踪和定位。两类刺激共同发挥作用,缺一不可。但是,人们对昆虫快速探测气流、气味刺激的感觉神经编码机制至今了解不多,也不清楚这两类不同性质的信号在感觉层面是否存在神经信息整合。触角感觉器官对昆虫这些事关生存繁衍的神经行为的实现发挥着关键作用。利用高分辨率场发射扫描电镜(Field Emission Scanning Electron Microscopy,SEM)技术,我们首先观察了番石榴实蝇(10-20日龄)触角上的感器类型、感器表面形态及其空间分布特征。结果显示:在类型上,触角鞭节上存在毛形感器(Trichoid)、锥形感器(Basiconic)、棒形感器(Clavate)、沟槽形感器(Grooved)、触角芒感器(Arista/Johnston’s organ)、微棘(Microtrichia)。梗节上存在刺形感器(Chaetica)、微棘(Microtrichia)。柄节上存在微棘(Microtrichia)。其中,刺形感器(Chaetica)、触角芒感器(Arista/Johnston’s organ)属于机械类感受器。化学类感器主要有毛形感器(Trichoid)、锥形感器(Basiconic)、棒形感器(Clavate)、沟槽形感器(Grooved)组成,其表面具孔(Pit)或者沟槽,挥发性化学分子可以通过。这些感受器的类型与双翅目模式昆虫果蝇属—黑腹果蝇存在较高的相似性,与双翅目实蝇属—桔小实蝇、宽带果实蝇、南亚果实蝇等一致。同时,各类型感器在触角上的空间分布特征是,毛形感器、锥形感器、沟槽形感器广泛、均匀分布于触角鞭节部位。棒形感器则分布在鞭节靠近基部的区域。刺形感器只分布在梗节上。微棘(Microtrichia)则在鞭节、梗节、柄节上都有分布。这些分布特征与已报道的桔小实蝇感器类型空间分布基本一致。另外,我们首次发现了毛形感器以及锥形感器表面除具有多孔(Pit)特征外,感器表面同时还不同程度地分布着瘤状突起(Nodule)。这种复合特征类型的感器在其他昆虫上从未报道过。进而我们通过首次发现的“小瘤成孔”的基本证据,第一次提出了小孔形成机制的“小瘤凹陷假说”。自然界中生活的昆虫,其面对的空气流在刺激时间上是不稳定的,处于不断变化之中。至今不清楚,触角是如何快速、精确探测不稳定气流(机械刺激)?基于1957年以来触角电位EAG的文献,过去国际上普遍相信触角对空气流的响应为1次去极化。但是利用改进的离体触角电位技术(EAG)所获得的结果显示:当番石榴实蝇触角暴露于常规的1s气流刺激时,EAG信号出现了三种情况。第一种情况是普遍报道的由1次去极化反应构成的单波形(Type C),占比40.00%;第二种情况是由连续2次去极化反应构成的组合波形(Type B),占比21.82%;第三种是由连续3次去极化反应的构成组合波形(TypeA),占比38.18%。新型的组合波信号是国际上首次发现。以Type A为例,我们检出触角对常规的1s气流开启(Airflow ON)有3次去极化反应,20 ms气流时出现微幅值的第1次,40ms气流时出现微幅值的第2次,100ms以上气流时出现强大的第3次去极化。进而首次发现,随后的气流停止(Airflow OFF)还诱发了第4次去极化。因此,我们首次发现触角能够对一次气流刺激进行4次信息加工,能够对不同时相的气流刺激做出不同神经响应。这种灵活、组合式探测机制可能适应于快速、精准探测不稳定的气流。基于上述组合波信号的发现,番石榴实蝇触角对挥发性植物次生代谢产物刺激又是如何响应的?化学气味信息与机械气流信息之间是否存在整合?我们继续观察了雄性番石榴实蝇(10-20日龄)触角对气味物质甲基丁香酚(Methyl eugenol)的EAG响应。结果显示:触角对气味刺激的响应不能改变触角对基础气流信号的基本响应模式,显示气流和气味不同性质刺激信号依赖于互相独立的神经通路进行信息处理。但是,气味信号会加载在基础气流信号上,或增加其幅值或减小其幅值。值是一提的是,幅值的减小可能暗示不同性质的感觉神经信息在触角部位或存在着神经信息整合。另外,甲基丁香酚可诱发触角或兴奋性或抑制性反应。本论文初步阐释了昆虫对空气流、气味的组合式感觉编码机制,突破了人们的原有认识,也为开发空气流信号干扰型农药提供知识储备,为深化化学生态学研究提供了新思路。