果蠅如何嗅出它們的環(huán)境

果蠅 - 黑腹果蠅 - 與二氧化碳有復(fù)雜的關(guān)系。在某些情況下，一氧化碳2表示存在美味的食物來源，因?yàn)樗械奶前l(fā)酵酵母產(chǎn)生分子作為副產(chǎn)品。但在其他情況下，CO2可能是一個(gè)遠(yuǎn)離的警告，表明氧氣不足或過度擁擠的環(huán)境，有太多其他蒼蠅。蒼蠅如何區(qū)分?

現(xiàn)在，一項(xiàng)新的研究表明，果蠅嗅覺神經(jīng)元 - 那些負(fù)責(zé)感知化學(xué)“氣味”(如CO)的神經(jīng)元。2—有能力通過以前未被發(fā)現(xiàn)的途徑相互交談。這項(xiàng)工作提供了對腦細(xì)胞相互交流的基本過程的見解，并為解決有關(guān)果蠅和一氧化碳的長期謎團(tuán)提供了新的線索。2.

該研究是在伊麗莎白·洪(BS '02)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，伊麗莎白·洪是神經(jīng)科學(xué)助理教授，也是天橋的陳學(xué)者和加州理工學(xué)院陳氏研究所的學(xué)者。一篇描述這項(xiàng)研究的論文發(fā)表在9月6日的《當(dāng)代生物學(xué)》雜志上。

“一氧化碳2是一個(gè)重要但復(fù)雜的信號，在自然環(huán)境的各種不同情況下發(fā)現(xiàn)，它說明了神經(jīng)生物學(xué)家在理解大腦時(shí)面臨的核心挑戰(zhàn)：大腦如何在不同的環(huán)境中處理相同的感覺信號，以使動物做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。“我們使用蒼蠅嗅覺系統(tǒng)來解決這個(gè)問題，這是研究最好和表征良好的感覺回路之一。即便如此，通過這項(xiàng)研究，我們在大腦如何處理感覺信號方面發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人驚訝的新現(xiàn)象。

嗅覺，或嗅覺，是所有動物進(jìn)化的原始感覺系統(tǒng)。雖然人類主要是視覺動物，但大多數(shù)動物使用嗅覺作為理解環(huán)境的主要方法：嗅出食物，避開捕食者，尋找配偶。果蠅是一種特別易于管理的模型，用于理解嗅覺背后的生物學(xué)機(jī)制：果蠅只有大約50種不同的氣味受體，而人類有大約400到500個(gè)，小鼠有一千多個(gè)。

蒼蠅的“鼻子”是它的兩個(gè)觸角。這些觸角涂有稱為sensilla的細(xì)毛，每個(gè)觸角的內(nèi)部都是嗅覺神經(jīng)元。氣味 — 如一氧化碳2或由腐爛的水果產(chǎn)生的揮發(fā)性酯類 - 擴(kuò)散到感官上的微小孔中并結(jié)合到嗅覺神經(jīng)元上的相應(yīng)受體上。然后，神經(jīng)元將信號向下發(fā)送到感官并進(jìn)入大腦。雖然我們沒有觸角，但當(dāng)你靠進(jìn)去捕捉一絲美味的烹飪或難聞氣味的反沖時(shí)，類似的過程就會發(fā)生在你自己的鼻子里。

在果蠅中，雖然大多數(shù)氣味同時(shí)激活大約20種不同類型的感覺神經(jīng)元，但CO2不尋常之處在于它只激活一種類型。利用遺傳分析和功能成像的結(jié)合，Hong實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)一氧化碳的輸出電纜或軸突2敏感的嗅覺神經(jīng)元實(shí)際上可以與其他嗅覺神經(jīng)通道交談 - 特別是檢測酯類的神經(jīng)元，這些分子聞起來對果蠅特別美味。

然而，這種嗅覺串?dāng)_取決于CO的時(shí)間2線索。當(dāng)一氧化碳2在波動的脈沖中檢測到，例如來自遙遠(yuǎn)食物來源的風(fēng)傳播提示，CO2感知嗅覺通道向編碼酯的通道發(fā)送消息，向大腦發(fā)出信號，表明美味的食物是逆風(fēng)的。但是，如果一氧化碳2在局部環(huán)境中不斷升高，例如從腐爛的原木中升起，這種串?dāng)_被迅速關(guān)閉，并且CO2-敏感的神經(jīng)元直接向大腦發(fā)出信號，以避免信號源。

這是嗅覺神經(jīng)元第一次被證明在它們的軸突之間相互交談，在這些信號到達(dá)大腦之前處理傳入的信息。結(jié)果與神經(jīng)科學(xué)中流行的教條相反，即信息處理僅限于神經(jīng)元輸入的整合;新發(fā)現(xiàn)表明，信號在輸出端也被重新格式化。

科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，蒼蠅對一氧化碳的行為方式。2還取決于一氧化碳的時(shí)間2信號。“我們發(fā)現(xiàn)動物的行為受到CO的時(shí)間結(jié)構(gòu)的影響。2信號，“洪說。“當(dāng)蒼蠅走進(jìn)一團(tuán)高架的一氧化碳云中時(shí)2，它往往會遠(yuǎn)離它所行進(jìn)的方向。但是在一氧化碳的環(huán)境中2正在脈動，蒼蠅會逆風(fēng)向氣味的來源跑去。蒼蠅對波動 CO 的行為方式的這種差異2，與持續(xù)一氧化碳的比較2，與 CO 的串?dāng)_的依賴性相似2-感應(yīng)神經(jīng)元到吸引促進(jìn)食物感應(yīng)的神經(jīng)元。

了解果蠅嗅覺，特別是在檢測 CO 方面2，是加州理工學(xué)院研究人員的長期目標(biāo)。幾十年前，大衛(wèi)·安德森實(shí)驗(yàn)室的研究人員 - 西摩·本澤生物學(xué)教授;天橋與陳氏神經(jīng)科學(xué)研究所領(lǐng)導(dǎo)主席;霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員;天橋和陳克麗絲神經(jīng)科學(xué)研究所所長——發(fā)現(xiàn)蒼蠅避免一氧化碳2作為一種化學(xué)物質(zhì)，表明環(huán)境過度擁擠。但最近，邁克爾·迪金森實(shí)驗(yàn)室的研究人員——埃絲特·米和阿貝·扎雷姆(Esther M.)和阿貝·扎雷姆(Abe M. Zarem)的生物工程和航空學(xué)教授兼生物學(xué)和生物工程執(zhí)行官——發(fā)現(xiàn)蒼蠅也可以被一氧化碳吸引。2，當(dāng)用它來嗅出食物的來源時(shí)。

“我們的工作建立在這些先前的研究之上，并為一氧化碳的一種可能的神經(jīng)解決方案。2可能在不同情況下觸發(fā)蒼蠅的相反行為。這是我在加州理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室的一大亮點(diǎn)，有機(jī)會直接與David和Michael的實(shí)驗(yàn)室互動，并討論我們的工作與他們的工作之間的聯(lián)系，“洪說。

下一個(gè)主要問題是了解這些平行的嗅覺軸突是如何相互交談的。該團(tuán)隊(duì)排除了神經(jīng)元用來交流的大多數(shù)形式的經(jīng)典化學(xué)傳遞，嗅覺神經(jīng)元能夠在軸突之間發(fā)送和接收信息的機(jī)制是神秘的。解決這個(gè)問題可能會為動物大腦如何檢測和處理感官信息提供新的見解。

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