Hvordan frugtfluer snuser op i deres omgivelser

Frugtfluer - Drosophila melanogaster - har et kompliceret forhold til kuldioxid. I nogle sammenhænge, ​​CO₂ indikerer tilstedeværelsen af ​​velsmagende fødekilder, da sukkergærende gær i frugt producerer molekylet som et biprodukt. Men i andre tilfælde CO₂ kan være en advarsel om at holde sig væk, hvilket signalerer et iltfattigt eller overfyldt miljø med for mange andre fluer. Hvordan kan fluer se forskel?

Nu afslører en ny undersøgelse, at frugtflue-olfaktoriske neuroner - dem, der er ansvarlige for at fornemme kemiske "lugte", såsom CO₂ - har evnen til at tale med hinanden gennem en hidtil uopdaget vej. Værket giver indsigt i de grundlæggende processer, hvorved hjerneceller kommunikerer med hinanden, og giver også nye ledetråde til at løse de mangeårige mysterier om frugtfluer og CO₂ .

Forskningen blev udført i laboratoriet hos Elizabeth Hong (BS '02), assisterende professor i neurovidenskab og Chen Scholar fra Tianqiao og Chrissy Chen Institute for Neuroscience ved Caltech. Et papir, der beskriver undersøgelsen, vises i tidsskriftet Current Biology den 6. september.

"CO₂ er et vigtigt, men komplekst signal, der findes i alle mulige forskellige situationer i det naturlige miljø, og det illustrerer en kerneudfordring, neurobiologer står over for i forståelsen af ​​hjernen:Hvordan behandler hjernen det samme sansesignal i forskellige sammenhænge for at tillade dyret at reagere hensigtsmæssigt ?" siger Hong. "Vi tackler dette spørgsmål ved hjælp af flue-olfaktoriske system, et af de bedst undersøgte og velkarakteriserede sensoriske kredsløb. Og selv stadig, med denne forskning opdagede vi et overraskende nyt fænomen i, hvordan hjernen behandler sensoriske signaler."

Lugt, eller lugtesansen, var det originale sansesystem, der udviklede sig i alle dyr. Selvom mennesker primært er visuelle, bruger de fleste dyr lugteevne som den vigtigste metode til at forstå deres omgivelser:opsnuse mad, undgå rovdyr og finde kammerater. Frugtfluer er en særlig håndterbar model til at forstå de biologiske mekanismer, der ligger til grund for lugtesansen:En frugtflue har kun omkring 50 forskellige lugtreceptorer, hvorimod et menneske har omkring 400 til 500, og mus har mere end tusind.

En flues "næse" er dens to antenner. Disse antenner er belagt med tynde hår kaldet sensilla, og inde i hvert sensillum er de olfaktoriske neuroner. Lugte – som CO₂ eller de flygtige estere, der produceres af rådnende frugter - diffunderer ind i bittesmå porer på sensilla og binder sig til tilsvarende receptorer på olfaktoriske neuroner. Neuroner sender derefter signaler ned i sensillum og ind i hjernen. Selvom vi ikke har antenner, sker der en lignende proces i din egen næse, når du læner dig ind for at fange en snert af lækker madlavning eller viger tilbage fra dårlig lugt.

Hos frugtfluer aktiverer de fleste lugte omkring 20 forskellige typer sensoriske neuroner på én gang, CO₂ er usædvanlig, idet den kun aktiverer en enkelt type. Ved at bruge en kombination af genetisk analyse og funktionel billeddannelse opdagede forskere i Hong-laboratoriet, at udgangskablerne eller axonerne af CO₂ -Følsomme olfaktoriske neuroner kan faktisk tale med andre olfaktoriske neurale kanaler – specifikt de neuroner, der registrerer estere, molekyler, der lugter særligt lækkert for en frugtflue.

However, this olfactory crosstalk depends on the timing of CO₂ cues. When CO₂ is detected in fluctuating pulses, such as a wind-borne cue from a distant food source, the CO₂ -sensing olfactory channel sends a message to the channels encoding esters, signaling to the brain that delicious food is upwind. However, if CO₂ is continually elevated in the local environment, for instance from a rotting log, this crosstalk is quickly shutoff, and the CO₂ -sensitive neurons signal directly to the brain to avoid the source.

This is the first time that olfactory neurons have been shown to talk to one another between their axons, processing incoming information before these signals ever reach the brain. The results cut against the prevailing dogma in neuroscience that information processing is limited to the integration of inputs by neurons; the new findings show that signals are reformatted at the output end as well.

The scientists also discovered that how flies behave toward CO₂ also depends on the timing of CO₂ signals. "We found that the behavior of the animal is affected by the temporal structure of the CO₂ signal," says Hong. "When the fly walks into a cloud of elevated CO₂ , it tends to turn away from the direction it was traveling. But in an environment where CO₂ is pulsing, the fly will run upwind toward the source of the odor. This difference in how flies behave toward fluctuating CO₂ , versus sustained CO₂ , parallels the dependence of the crosstalk from the CO₂ -sensing neurons to attraction-promoting food-sensing neurons."

Understanding fruit fly olfaction, particularly with respect to sensing CO₂ , is a long-standing goal for Caltech researchers. Decades ago, researchers in the laboratory of David Anderson— Seymour Benzer Professor of Biology; Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience Leadership Chair; Investigator, Howard Hughes Medical Institute; director, Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience—discovered that flies avoid CO₂ as a chemical indicating an overcrowded environment. But recently, researchers in the lab of Michael Dickinson—Esther M. and Abe M. Zarem Professor of Bioengineering and Aeronautics and executive officer for Biology and Biological Engineering—discovered that flies can also be attracted to CO₂ , when using it to sniff out a source of food.

"Our work builds on these prior studies and provides one possible neural solution for how CO₂ could be triggering opposing behaviors in flies in varying contexts. It has been a highlight of having my lab at Caltech to have the opportunity to directly interact with David's and Michael's labs and discuss the connections between our work and theirs," says Hong.

The next major question is to understand how these parallel olfactory axons are talking to one another. The team ruled out most forms of classical chemical transmission that neurons use to communicate, and the mechanisms by which olfactory neurons are able to send and receive messages between their axons are mysterious. Solving this problem may provide new insights into how animal brains detect and process sensory information. + Udforsk yderligere

Mosquitoes have neuronal fail-safes to make sure they can always smell humans