Opdagelse af lugte på kanten:Forskere tyder, hvordan insekter lugter mere med mindre

Uanset om det er den svævende aroma af vores yndlingsmåltid eller de farlige dampe, der siver fra et giftigt kemikalie, har den menneskelige lugtesans udviklet sig til et sofistikeret system, der behandler dufte gennem flere indviklede stadier. Pattedyrs hjerner har milliarder af neuroner til deres rådighed for at genkende lugte, de udsættes for, fra behagelige til stikkende.

Insekter som frugtfluer har på den anden side kun 100.000 neuroner at arbejde med. Alligevel er deres overlevelse afhængig af deres evne til at tyde betydningen af ​​komplekse lugtblandinger omkring dem for at lokalisere føde, søge potentielle partnere og undgå rovdyr. Forskere har overvejet, hvordan insekter er i stand til at lugte eller udtrække information fra lugte med et meget mindre olfaktorisk sansesystem sammenlignet med pattedyr.

Forskere ved University of California San Diego mener, at de har et svar på dette forvirrende spørgsmål. Palka Puri, en fysik Ph.D. studerende har sammen med postdoktor Shiuan-Tze Wu, lektor Chih-Ying Su og adjunkt Johnatan Aljadeff (alle ved Institut for Neurobiologi) afsløret, hvordan frugtfluer bruger et enkelt, effektivt system til at genkende lugte.

"Vores arbejde kaster lys over de sensoriske behandlingsalgoritmer, som insekter bruger til at reagere på komplekse lugtstimuli," sagde Puri, den første forfatter af papiret, offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences . "Vi viste, at den specialiserede organisering af insektsensoriske neuroner har nøglen til puslespillet - at implementere et væsentligt behandlingstrin, der letter beregninger i den centrale hjerne."

Tidligere undersøgelser af lugtbehandlingssystemet hos fluer fokuserede på den centrale hjerne som det vigtigste knudepunkt for behandling af lugtsignaler. Men den nye undersøgelse viser, at effektiviteten af ​​insektets sensoriske evner afhænger af et "forbehandlings"-stadium i periferien af ​​deres sansesystem, som forbereder lugtsignalerne til beregninger, der opstår senere i den centrale hjerneregion.

Fluer lugter gennem deres antenner, som er fyldt med sansehår, der registrerer elementer af miljøet omkring dem. Hvert sansehår har normalt to olfaktoriske receptorneuroner, eller ORN'er, der aktiveres af forskellige lugtmolekyler i miljøet. Spændende nok er ORN'er i det samme sensoriske hår stærkt koblet af elektriske interaktioner.

"Dette scenarie er beslægtet med to strømførende ledninger placeret tæt sammen," forklarede Puri. "De signaler, der bæres af ledningerne, interfererer med hinanden gennem elektromagnetiske interaktioner."

I tilfælde af flue-olfaktoriske system er denne interferens dog gavnlig. Forskerne viste, at når fluer støder på et lugtsignal, hjælper det specifikke mønster af interferens mellem receptorerne fluer med hurtigt at beregne "kernen" af lugtens betydning:"Er det godt eller dårligt for mig?" Resultatet af denne foreløbige evaluering i periferien videresendes derefter til en specifik region i fluens centrale hjerne, hvor informationen om lugte til stede i omverdenen oversættes til en adfærdsmæssig reaktion.

Forskerne konstruerede en matematisk model af, hvordan lugtsignaler behandles ved elektrisk kobling mellem ORN'er. De analyserede derefter ledningsdiagrammet ("connectome") af fluehjernen, et datasæt i stor skala genereret af forskere og ingeniører på Howard Hughes Medical Institutes forskningscampus. Dette gjorde det muligt for Puri, Aljadeff og deres kolleger at spore, hvordan lugtsignaler fra den sensoriske periferi er integreret i den centrale hjerne.

"Bemærkelsesværdigt viser vores arbejde, at den optimale lugtblanding - det præcise forhold, som hvert sansehår er mest følsomt for - er defineret af den genetisk forudbestemte størrelsesforskel mellem de koblede olfaktoriske neuroner," sagde Aljadeff, et fakultetsmedlem ved School of Biological Videnskaber. "Vores arbejde fremhæver den vidtrækkende algoritmiske rolle af den sensoriske periferi til behandling af både medfødt meningsfulde og indlærte lugte i den centrale hjerne."

Aljadeff beskriver systemet med en visuel analogi. Som et specialiseret kamera, der kan registrere bestemte typer billeder, har fluen udviklet en genetisk drevet metode til at skelne mellem billeder eller i dette tilfælde blandinger af lugte.

"Vi opdagede, at fluehjernen har ledningerne til at læse billederne fra dette meget specielle kamera for derefter at igangsætte adfærd," sagde han.

For at nå frem til disse resultater blev forskningen integreret med tidligere resultater fra Su's laboratorium, der beskrev den bevarede organisering af ORN'er i fluens lugtesystem til sensoriske hår. Det faktum, at signaler båret af de samme lugtmolekyler altid interfererer med hinanden, i hver flue, antydede forskerne, at denne organisation har betydning.

"Denne analyse viser, hvordan neuroner i højere hjernecentre kan drage fordel af afbalanceret beregning i periferien," sagde Su. "Det, der virkelig bringer dette arbejde til et andet niveau, er, hvor meget denne perifere forbehandling kan påvirke højere hjernefunktion og kredsløbsoperationer."

Dette arbejde kan inspirere til forskning i rollen som behandling i perifere organer i andre sanser, såsom syn eller hørelse, og være med til at danne grundlaget for at designe kompakte detektionsenheder med evnen til at fortolke komplekse data.

"Disse resultater giver indsigt i de grundlæggende principper for komplekse sensoriske beregninger i biologi og åbner døre for fremtidig forskning i at bruge disse principper til at designe kraftfulde konstruerede systemer," sagde Puri.

Flere oplysninger: Palka Puri et al., Perifer forbehandling i Drosophila letter lugtklassificering, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2316799121

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af University of California - San Diego