Hvordan myggehjerner koder menneskelig lugt, så de kan opsøge os

Myg. Bane af baggårdspicnic - og dødbringende i Zika- og dengue-udsatte områder.

De fleste af verdens myg er opportunistiske, villige til at drikke blod fra enhver nærliggende kilde. Men i nogle regioner har de myg, der bærer Zika, dengue og gul feber - Aedes aegypti - udviklet sig til næsten udelukkende at bide mennesker. Men for at få succes som specialiseret foder, afhængigt af kun én art – vores – for at overleve, skal de have udviklet utrolig præcise målretningsstrategier. Hvordan gør de det?

"Vi satte os for at prøve at forstå, hvordan disse myg adskiller menneskelig og dyr lugt," sagde Carolyn "Lindy" McBride, en assisterende professor i økologi og evolutionær biologi og neurovidenskab, "både med hensyn til, hvad det er ved menneskelig lugt, som de signalerer. ind på, og hvilken del af deres hjerne tillader dem at følge disse signaler."

Efter års dedikeret arbejde, herunder utallige videnskabelige og teknologiske udfordringer, har hendes team fundet svar på begge dele af denne ligning. Hvad er det, myggene opdager, og hvordan opdager de det? Deres resultater vises i det aktuelle nummer af Nature .

McBride beskrev deres myggecentrerede tilgang:"Vi dykkede ligesom ind i myggens hjerne og spurgte:'Hvad kan du lugte? Hvad lyser din hjerne op? Hvad aktiverer dine neuroner? Og hvordan aktiveres din hjerne anderledes, når du lugter menneske. lugt versus dyrelugt?'"

Daværende kandidatstuderende Zhilei Zhao, en 2021 Ph.D. alumne, som nu er hos Cornell, var pionerer for deres nye tilgang:billeddannelse af myggehjerner i meget høj opløsning for at se, hvordan myggen identificerer sit næste offer. For at gøre det skulle han først gensplejse myg, hvis hjerner lyste op, når de var aktive, og derefter skulle holdet levere luft med smag af mennesker og dyr på måder, som myggene kunne opdage, mens de var inde i holdets specialbyggede billedudstyr.

Menneskelig lugt er sammensat af snesevis af forskellige forbindelser, og de samme forbindelser, i lidt forskellige forhold, er til stede i de fleste pattedyrs lugte. Ingen af ​​disse forbindelser er attraktive for myg i sig selv, så udfordringen var at bestemme den nøjagtige blanding af komponenter, som myg bruger til at genkende menneskelig lugt.

Holdet konkluderede, at to kemikalier, decanal og undecanal, er beriget med menneskelig lugt. De patenterede en blanding med dekanal, som de håber kunne føre til lokkemad, der tiltrækker myg til dødelige fælder eller afskrækningsmidler, der afbryder signalet.

For at sammenligne pattedyr at teste, arbejdede kandidatstuderende Jessica Zung sammen med tidligere forskningsspecialister Alexis Kriete og Azwad Iqbal for at indsamle hår, pels og uldprøver. Til dette papir brugte holdet lugt fra seksten mennesker, to rotter, to marsvin, to vagtler, et får og fire hunde. Howell Living History Farm i Hopewell, N.J., donerede flere uld fra deres forårsfåreklipning; for et andet tamme pattedyr gik Zung til en PetSmart plejesalon og samlede klippede hår fra nyligt plejede kæledyrshunde.

"Til de menneskelige prøver havde vi en flok gode frivillige," sagde Zung. "Vi fik dem til ikke at gå i bad i et par dage, hvorefter vi tog dem nøgne og lagde sig i en teflonpose." Hvorfor nøgen? Fordi bomuld, polyester og andre tøjfibre har deres egne lugte, som ville forvrænge dataene.

Da de først havde overvundet de tekniske udfordringer – at hente lugte fra mennesker og dyr på en ikke-destruktiv måde, designe et system, der gjorde det muligt for dem at puste menneskelig lugt af myggene i billedopsætningen, skabe en vindtunnel til at teste simple blandinger eller enkeltforbindelser og avle levedygtige stammer af myg, hvis hjerner reagerer på udstyret - de begyndte at indsamle data. Meget overraskende data.

Før denne undersøgelse spekulerede forskere i, at myggehjerner skal have en kompliceret, sofistikeret teknik til at skelne mennesker fra andre dyr. Tværtimod, viste det sig.

"Enkelheden overraskede os," sagde McBride. "På trods af kompleksiteten af ​​menneskelig lugt, og det faktum, at den ikke rigtig har nogen form for menneskespecifikke forbindelser i sig, har myggene udviklet en overraskende simpel mekanisme til at genkende os. For mig er det en evolutionær historie:hvis vi lavede en statistisk test for at skelne menneskelig lugt, det ville være meget komplekst, men myggen gør noget bemærkelsesværdigt simpelt, og simpelt fungerer normalt ret godt, når det kommer til evolution."

Med andre ord, enkle løsninger har en tendens til at avle sande over evolutionær tid.

Myggehjerner har 60 nervecentre kaldet glomeruli (ental:glomerulus). Holdet havde en hypotese om, at mange – måske endda de fleste – ville være involveret i at hjælpe disse menneskeafhængige myg med at finde deres yndlingsføde.

"Da jeg første gang så hjerneaktiviteten, kunne jeg ikke tro det - kun to glomeruli var involveret," sagde Zhao. "Det var i modstrid med alt, hvad vi forventede, så jeg gentog eksperimentet flere gange, med flere mennesker, flere dyr. Jeg kunne bare ikke tro det. Det er så enkelt."

Af de to nervecentre reagerer det ene på mange lugte, inklusive menneskelig lugt, og siger i det væsentlige:"Hey, se, der er noget interessant i nærheden, du bør tjekke ud," mens det andet kun reagerer på mennesker. At have to kan hjælpe myggene ind på deres mål, foreslår forskerne.

Det var en af ​​de største "Eureka!" øjeblikke i projektet, sagde McBride. "Zhilei havde arbejdet i et par år for at få de transgene myg, som han havde brug for, og så fandt vi ud af, at vi ikke havde en god måde at levere menneskelig lugt på. Så vi arbejdede i endnu et år eller to og kom med ideer til at prøve for at finde ud af, hvordan man leverer nok menneskelig lugt på en kontrolleret nok måde til at se et svar. Så, første gang vi prøvede denne nye teknologi, som vi beskrev i avisen – denne nye måde at levere lugte på – så han faktisk en hjerne reagere. Det var utroligt."

Ved at bestemme glomeruli, som myg bruger til at opdage mennesker, og identificere, hvad det er, de opdager – decanal og undecanal – har holdet et elegant og ligetil svar på deres spørgsmål, bemærkede Zung.

"Hvis dette udelukkende var et neuro billeddiagnostik papir, ville der være nogle spørgsmål tilbage," sagde hun. "Hvis dette udelukkende var et lugtanalysepapir, ville der stadig være ubesvarede spørgsmål. Et rent adfærdspapir, det samme. Men en reel styrke ved dette projekt er, at vi var i stand til at bringe så mange forskellige metoder og ekspertise fra så mange ind. mennesker. Og Lindy var bare fantastisk og villig til at lære om og investere i alle disse forskellige metoder."

"Hele dette projekt er utroligt samarbejdende," sagde Zhao enig. "Vi tacklede så mange beviser, som nu er smeltet sammen til en sammenhængende historie, og det kræver så meget forskellig ekspertise. Jeg havde ikke studeret nogen neurovidenskab, før jeg kom til Princeton, men vi har Princeton Neuroscience Institute her, med så mange dygtige mennesker, jeg kunne lære af. For den lugtvidenskabelige del har jeg ingen baggrund i det, men Jessica er ekspert. Og til vindtunnel-opsætningen samarbejdede vi med forskere i Sverige. Hvis vi havde gjort alt selv, ville vi måske ikke har fået så gode resultater; det er kun gennem samarbejde, vi kom hertil."