麻省理工学院揭示神经系统如何整合环境和状态以控制行为

想象一下,你住在一家面包店的对面。有时你很饿,因此当香味飘过你的窗户时,你会受到诱惑。然而,其他时候,饱腹感使你不感兴趣。有时蹦蹦跳跳地去美餐一顿,但看到你那令人唾弃的前夫就在那里又不想吃了。这一切哦对敖明,你的大脑在决定你会做什么时平衡了许多影响因素。

麻省理工学院的一项新研究详细介绍了这一方法在一种更简单的动物身上的应用实例。它强调了一个潜在的基本原则,即神经系统如何整合多种因素来指导寻找食物的行为。

所有的动物都面临着在制定行为时权衡不同的感官线索和内部状态的挑战,但科学家们对这一情况的实际发生知之甚少。为了深入了解,位于皮考尔学习和记忆研究所的研究小组转向了秀丽隐杆线虫,其明确的行为状态和只有302个细胞神经系统使这个复杂的问题至少是可操作的。他们通过一个案例研究发现,在一个名为AWA的关键嗅觉神经元中,许多状态和感觉信息的来源汇聚在一起,独立地节制着一个关键气味受体的表达。它们对该受体丰度的影响的整合,然后决定了AWA如何指导四处漫游寻找食物。

麻省理工学院揭示神经系统如何整合环境和状态以控制行为
麻省理工学院揭示神经系统如何整合环境和状态以控制行为

“在这项研究中,我们根据动物所经历的持续状态和刺激,剖析了控制单个嗅觉神经元中单个嗅觉受体水平的机制,”资深作者、麻省理工学院脑与认知科学系李斯特兄弟副教授史蒂文·弗拉维尔说。”了解这种整合如何在一个细胞中发生,将为它如何在其他蠕虫神经元和其他动物中普遍发生指明方向。”

麻省理工学院博士后Ian McLachlan领导了这项研究,该研究最近发表在eLife杂志上,该团队在开始时并不一定知道他们会发现什么。

事实上,麦克拉克兰、弗拉维尔和他们的团队并没有专门去寻找神经元AWA或被称为STR-44的特定嗅觉化学感受器。相反,这些目标是从他们收集的无偏见的数据中出现的,当时他们研究了当蠕虫在三小时内不进食时与进食充足时相比哪些基因的表达变化最大。作为一个类别,许多化学感觉受体的基因显示出巨大的差异。事实证明,AWA是一个拥有大量此类上调基因的神经元,而两个受体STR-44和SRD-28在这些基因中显得尤为突出。

仅这一结果就表明,内部状态(饥饿)影响着感觉神经元中受体的表达程度。麦克拉克兰和他的合著者随后能够表明,STR-44的表达也会根据压力化学品的存在、各种食物的气味以及蠕虫是否得到了吃食物的好处而独立变化。由共同第二作者Talya Kramer(一名研究生)领导的进一步测试揭示了哪些气味会触发STR-44,使研究人员随后能够证明AWA内STR-44表达的变化如何直接影响食物的寻求行为。还有更多的研究确定了这些不同的信号进入AWA的确切分子和电路手段,以及它们如何在细胞内作用以改变STR-44的表达。

例如,在一个实验中,麦克拉克兰和弗拉维尔的团队表明,虽然喂养的和饥饿的蠕虫都会朝着受体最喜欢的气味蠕动,如果这些气味足够强烈的话,但只有饥饿的蠕虫(表达更多的受体)可以检测到更微弱的浓度。在另一个实验中,他们发现,尽管饥饿的蠕虫在到达食物源时将放慢速度进食,即使吃饱的蠕虫在旁边游弋,但他们可以通过人为地过度表达STR-44使吃饱的蠕虫表现得像饥饿的蠕虫。这样的实验证明STR-44的表达变化对寻找食物有直接影响。

其他实验显示了多种因素对STR-44的拉动。例如,他们发现,当他们添加一种化学品使蠕虫受到压力时,即使在饥饿的蠕虫中也会降低STR-44的表达。后来他们发现,同样的应激物抑制了蠕虫向STR-44所反应的气味蠕动的冲动。因此,就像你可能会避免跟随你的鼻子去面包店,即使在饥饿的时候如果你看到你的前任在那里,会权衡压力来源和饥饿感。该研究显示,它们这样做是基于这些不同的线索和状态如何拉动AWA中STR-44的表达。

其他几个实验研究了蠕虫的神经系统将感觉、饥饿和主动进食线索带到AWA的途径。技术助理Malvika Dua帮助揭示了其他食物感应神经元如何通过胰岛素信号和突触连接来影响STR-44在AWA的表达。关于蠕虫是否正在积极进食的线索来自肠道中的神经元,这些神经元使用一种叫做TORC2的分子营养传感器。这些,以及压力检测途径,都作用于FOXO,它是基因表达的调节器。换句话说,所有影响STR-44在AWA中表达的输入都是通过独立推拉同一个分子杠杆来实现的。

像胰岛素和TORC2这样的途径不仅存在于其他蠕虫的感觉神经元中,而且也存在于包括人类在内的许多其他动物。此外,在更多的神经元中,感觉受体因禁食而上调,而不仅仅是AWA。这些重叠表明,他们在AWA中发现的整合信息的机制很可能在其他神经元中发挥作用,也许在其他动物中也是如此。

这项研究的基本见解可能有助于为研究通过TORC2的肠道-大脑信号如何在人体内发挥作用提供信息。这正在成为优雅动物中肠道到大脑信号传递的主要途径,希望它最终将对人类健康具有转化意义。

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