飛行大腦深處是進(jìn)化如何改變思想的線索

當(dāng)他們自己物種的雌性被識(shí)別時(shí)，果蠅的雄性將被喚醒，大腦中P1神經(jīng)元的激活(右)證明了這一點(diǎn)。

對(duì)于整個(gè)動(dòng)物界的愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，找到合適的伴侶需要正確的化學(xué)反應(yīng)?，F(xiàn)在，洛克菲勒大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)能夠畫出一條意想不到的道路，在這條道路上，動(dòng)物將為動(dòng)物選擇正確的配偶。

科學(xué)家與黑腹果蠅合作，探索了雄性如何從許多黑腹果蠅周圍的果實(shí)中選擇自己物種的成員。本周發(fā)表在《自然》雜志上的答案顛覆了長(zhǎng)期以來(lái)的觀點(diǎn)，即進(jìn)化可以確保動(dòng)物長(zhǎng)期存活。

從遠(yuǎn)處

長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家一直認(rèn)為動(dòng)物不會(huì)穿越，因?yàn)檫M(jìn)化改變了神經(jīng)系統(tǒng)的外圍部分，包括檢測(cè)和處理信息素的感覺(jué)器官——這些化學(xué)物質(zhì)有助于識(shí)別同一物種的其他物種。有人提出，外周變化對(duì)動(dòng)物發(fā)展物種特異性行為(包括交配)至關(guān)重要，但無(wú)法確定這是神經(jīng)系統(tǒng)的主要還是唯一變化位點(diǎn)。

神經(jīng)生理學(xué)和行為實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人瓦妮莎蕓香屬和她實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了這種進(jìn)化，以確保兩種密切相關(guān)的果蠅(果蠅和擬果蠅)堅(jiān)持自己的物種。在交配過(guò)程中，科學(xué)家使用了一系列最先進(jìn)的基因和成像工具，并發(fā)明了一些新技術(shù)。它們追蹤來(lái)自男性前肢感覺(jué)神經(jīng)元的電化學(xué)脈沖。他們用它來(lái)“品嘗”信息素，并一路進(jìn)入大腦的中央處理中心。

他們發(fā)現(xiàn)物種之間的區(qū)別在于蒼蠅的大腦，在控制交配行為的一小組神經(jīng)元中。事實(shí)上，外周神經(jīng)系統(tǒng)并沒(méi)有改變，這表明它們沒(méi)有參與不同物種的獨(dú)特交配選擇，這是蕓香屬意想不到的結(jié)果。

“我認(rèn)為這個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家總是認(rèn)為這些變化最有可能局限在外圍，部分原因是因?yàn)樗亲詈?jiǎn)單的觀察點(diǎn)，”她說(shuō)?！爱?dāng)人通過(guò)腦回路傳播時(shí)，人們沒(méi)有任何可以用來(lái)真正追蹤感覺(jué)信號(hào)的遺傳工具。”

岔路/側(cè)路/分叉路/分叉路

D.黑腹果蠅雌性產(chǎn)生一種特殊的信息素，作為一種強(qiáng)有力的春藥來(lái)驅(qū)使雄性交配。奇怪的是，d. Simulans雄性對(duì)相同的信息素反應(yīng)強(qiáng)烈，但這對(duì)它們來(lái)說(shuō)是一個(gè)強(qiáng)大的岔路口，這阻止了它們追求錯(cuò)誤物種的雌性。

對(duì)蕓香屬的團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，最大的問(wèn)題是神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生了進(jìn)化變化，這就是為什么蒼蠅對(duì)相同的信息素有負(fù)面反應(yīng)。

為了尋找答案，蕓香屬實(shí)驗(yàn)室的博士生勞拉塞霍爾澤(Laura Seeholzer)利用Crispr-Cas9基因編輯，確定兩個(gè)物種的雄性以相同的方式檢測(cè)到信息素。她發(fā)現(xiàn)神經(jīng)通路在擴(kuò)散到大腦時(shí)是一樣的。在這兩個(gè)物種中，通路分為兩條：一條通路形成所謂的興奮性中間神經(jīng)元以鼓勵(lì)交配，另一條通路抑制中間神經(jīng)元以抑制沖動(dòng)。

當(dāng)科學(xué)家測(cè)試控制求偶行為的一組被稱為P1的神經(jīng)元發(fā)生了什么時(shí)，這是蒼蠅之間功能差異的第一個(gè)跡象。在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)物種的雄性被允許接觸雌性黑腹溞并品嘗她的信息素。

果蠅中的雄性是正常的，它們的P1神經(jīng)元通過(guò)大腦活動(dòng)的功能成像而發(fā)光。但是對(duì)于雄性D. simulans來(lái)說(shuō)，它出去了。

接下來(lái)，研究小組試圖通過(guò)直接刺激P1結(jié)節(jié)來(lái)人工刺激或抑制男性的性欲。這是一個(gè)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)：雖然遺傳工具可以很容易地操縱D. melanogaster中的神經(jīng)元，而d . melanogaster是研究最廣泛的動(dòng)物物種之一，但對(duì)D. simulans的研究卻很少，這迫使Seeholzer和他的同事設(shè)計(jì)了一種新技術(shù)，對(duì)這個(gè)物種的神經(jīng)元進(jìn)行遺傳標(biāo)記，以便它們可以檢查自己在交配選擇中的作用。

結(jié)果：兩種蒼蠅都有興奮和抑制的通路。然而，人們發(fā)現(xiàn)，它們對(duì)P1神經(jīng)元輸入的平衡是蒼蠅對(duì)同一信息素做出反應(yīng)的原因。對(duì)于蚋類雄性來(lái)說(shuō)，品嘗另一個(gè)物種的信息素會(huì)導(dǎo)致顯性抑制途徑，掩蓋任何交配沖動(dòng)。

蕓香屬說(shuō)，“看到物種中P1神經(jīng)元的不同反應(yīng)是我們思考的重點(diǎn)，我們已經(jīng)確定了一個(gè)發(fā)生進(jìn)化變化的地方”，以防止兩個(gè)物種交叉。

她希望擴(kuò)大研究范圍，比較其他種類的蒼蠅，從而發(fā)現(xiàn)進(jìn)化可能促進(jìn)行為的其他方式。直到最近，這種研究非常耗時(shí)。但是她說(shuō)，使用新的遺傳工具，包括Crispr-Cas9，現(xiàn)在有可能比較不同物種之間的神經(jīng)回路。

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