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胰岛素在介导蠕虫的感知和行为中发挥作用

在过去的几年里,随着成像工具和技术的进步,科学家们一直在孜孜不倦地绘制人类大脑神经连接的详细图谱,以期最终理解大脑是如何工作的。

胰岛素在介导蠕虫的感知和行为中发挥作用

但是,确定大脑中的细胞是如何物理连接的,只是解读我们的感知和行为的第一个线索。我们还需要知道在给定的环境下,信息在大脑中的准确路径。2013年9月8日,索尔克生物研究所(Salk Institute for Biological Studies)的研究人员在《自然神经科学》(Nature Neuroscience)杂志上发表了他们的研究结果。他们展示了一个惊人的例子,证明了神经回路的灵活性及其对蠕虫行为的影响,这取决于动物所处的环境。

秀丽隐杆线虫有302个神经元——远远少于一个人估计的1000亿个神经元——我们已经知道每个神经元是如何连接的。除了这种微小生物的细胞很容易被操纵之外,研究人员还可以问,在分子和电路层面上,什么样的信息通过这个回路,以及这种信息流的行为后果是什么。

然而,即使有一张完整的蛔虫神经元连接图在手,科学家们仍然不知道蛔虫是如何以成千上万种不同的方式与环境互动的。这是索尔克分子神经生物学实验室的助理教授Sreekanth Chalasani和加州大学圣地亚哥分校的博士生Sarah Leinwand试图回答的一个大问题。

在线虫中,由于20多年前的研究,许多感觉神经元被确认具有不同的作用,如感知温度、信息素、盐和气味。为了了解这些细胞的功能,科学家们用激光对它们逐一照射,并测量了蠕虫的行为。这些研究表明,有一个神经元参与了检测蠕虫周围盐分增加的过程。

在这项新的研究中,Leinwand和Chalasani并没有切除单个的感觉神经元,而是对蠕虫进行了成像,这些蠕虫在其神经元中表达了基因编码的钙指示物,这使得细胞在活动时发光。令人惊讶的是,在接触到一种吸引人但浓度很高的盐后,蠕虫的嗅觉感觉神经元活跃起来。

Leinwand说:“我们非常惊讶地发现,有了这些新的工具,这些新的钙传感器,我们可以发现,在处理感官信号时,参与其中的神经元种类不止一种,而人们认为这些信号只能由单个神经元感知。”

通过额外的基因操作和行为分析,研究人员发现,嗅神经——虽然对气味的感知仍然很重要——对于蠕虫在一定浓度范围内向盐移动至关重要。出乎意料的是,这个神经元对盐的反应也需要先前识别的感盐神经元。他们发现,事实上,嗅觉神经元并不是直接感知盐,而是被盐感觉神经元激活。

嗅觉神经元接收到的是什么信息?神经元通过与相邻神经元的紧密接触,通过发送化学和电信号来相互交流。通过测试那些信号分子已被基因敲除的蠕虫,Chalasani和Leinwand可以看到,当蠕虫受到高盐刺激时,哪些分子在传播过程中发挥了作用。从这些实验中,他们发现了一种神经肽,一种存在于神经元中的小蛋白,正被盐感神经元释放出来,以塑造动物的行为。

查拉萨尼说,在这项研究中,确定负责环境依赖性信号传递的神经肽(或神经肽)是最具挑战性的部分,因为蛔虫有115个基因,可编码约250个神经肽。幸运的是,只有四种不同的分子机器可以处理所有这些肽;通过对这四种基因的基因敲除,Leinwand和Chalasani很快就将这四种编码胰岛素神经肽的基因缩小到大约40个。

研究小组一个接一个地追踪缺失每个基因的蠕虫对高盐的嗅觉神经元反应,发现缺乏胰岛素神经肽INS-6基因的蠕虫对盐的增加没有反应。把这种肽放回去可以恢复动物对高盐的正常反应。

Leinwand说:“虽然可能有不止一个肽信号,但INS-6的贡献无疑是巨大的,这是令人欣慰的。”她和Chalasani还在嗅觉神经元的接收端发现了特定的受体。

胰岛素是主要的信号分子,将嗅觉神经元招募到一个盐感电路中,这是一个很大的惊喜。

“传统上,神经肽被认为可以在数秒到数分钟内调节神经功能,”Chalasani说。“但在这个特殊的例子中,胰岛素似乎在不到一秒的时间内就将信息从感知盐的神经元传递到通常对气味有反应的神经元。”

类似的神经肽交流也可以创造灵活的神经回路,调节其他动物和人类在其环境中的各种行为。胰岛素在人体内有很多作用——例如,它与衰老和新陈代谢有关——但到目前为止,它的作用只是在较慢的一分钟范围内。

Chalasani和Leinwand计划研究蠕虫体内是否存在其他快速神经回路开关,如果存在,这些开关是否通过神经肽信号或其他机制起作用。他们还对动物年龄增长时电路开关的变化感兴趣。卡拉萨尼说:“你可能会认为,随着动物年龄的增长,这种交流的效率会降低。”

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