果蝇如何嗅出它们的环境

果蝇 - 黑腹果蝇 - 与二氧化碳有复杂的关系。在某些情况下，一氧化碳2表示存在美味的食物来源，因为水果中的糖发酵酵母产生分子作为副产品。但在其他情况下，CO2可能是一个远离的警告，表明氧气不足或过度拥挤的环境，有太多其他苍蝇。苍蝇如何区分?

现在，一项新的研究表明，果蝇嗅觉神经元 - 那些负责感知化学“气味”(如CO)的神经元。2—有能力通过以前未被发现的途径相互交谈。这项工作提供了对脑细胞相互交流的基本过程的见解，并为解决有关果蝇和一氧化碳的长期谜团提供了新的线索。2.

该研究是在伊丽莎白·洪(BS '02)的实验室进行的，伊丽莎白·洪是神经科学助理教授，也是天桥的陈学者和加州理工学院陈氏研究所的学者。一篇描述这项研究的论文发表在9月6日的《当代生物学》杂志上。

“一氧化碳2是一个重要但复杂的信号，在自然环境的各种不同情况下发现，它说明了神经生物学家在理解大脑时面临的核心挑战：大脑如何在不同的环境中处理相同的感觉信号，以使动物做出适当的反应。“我们使用苍蝇嗅觉系统来解决这个问题，这是研究最好和表征良好的感觉回路之一。即便如此，通过这项研究，我们在大脑如何处理感觉信号方面发现了一个令人惊讶的新现象。

嗅觉，或嗅觉，是所有动物进化的原始感觉系统。虽然人类主要是视觉动物，但大多数动物使用嗅觉作为理解环境的主要方法：嗅出食物，避开捕食者，寻找配偶。果蝇是一种特别易于管理的模型，用于理解嗅觉背后的生物学机制：果蝇只有大约50种不同的气味受体，而人类有大约400到500个，小鼠有一千多个。

苍蝇的“鼻子”是它的两个触角。这些触角涂有称为sensilla的细毛，每个触角的内部都是嗅觉神经元。气味 — 如一氧化碳2或由腐烂的水果产生的挥发性酯类 - 扩散到感官上的微小孔中并结合到嗅觉神经元上的相应受体上。然后，神经元将信号向下发送到感官并进入大脑。虽然我们没有触角，但当你靠进去捕捉一丝美味的烹饪或难闻气味的反冲时，类似的过程就会发生在你自己的鼻子里。

在果蝇中，虽然大多数气味同时激活大约20种不同类型的感觉神经元，但CO2不寻常之处在于它只激活一种类型。利用遗传分析和功能成像的结合，Hong实验室的研究人员发现一氧化碳的输出电缆或轴突2敏感的嗅觉神经元实际上可以与其他嗅觉神经通道交谈 - 特别是检测酯类的神经元，这些分子闻起来对果蝇特别美味。

然而，这种嗅觉串扰取决于CO的时间2线索。当一氧化碳2在波动的脉冲中检测到，例如来自遥远食物来源的风传播提示，CO2感知嗅觉通道向编码酯的通道发送消息，向大脑发出信号，表明美味的食物是逆风的。但是，如果一氧化碳2在局部环境中不断升高，例如从腐烂的原木中升起，这种串扰被迅速关闭，并且CO2-敏感的神经元直接向大脑发出信号，以避免信号源。

这是嗅觉神经元第一次被证明在它们的轴突之间相互交谈，在这些信号到达大脑之前处理传入的信息。结果与神经科学中流行的教条相反，即信息处理仅限于神经元输入的整合;新发现表明，信号在输出端也被重新格式化。

科学家们还发现，苍蝇对一氧化碳的行为方式。2还取决于一氧化碳的时间2信号。“我们发现动物的行为受到CO的时间结构的影响。2信号，“洪说。“当苍蝇走进一团高架的一氧化碳云中时2，它往往会远离它所行进的方向。但是在一氧化碳的环境中2正在脉动，苍蝇会逆风向气味的来源跑去。苍蝇对波动 CO 的行为方式的这种差异2，与持续一氧化碳的比较2，与 CO 的串扰的依赖性相似2-感应神经元到吸引促进食物感应的神经元。

了解果蝇嗅觉，特别是在检测 CO 方面2，是加州理工学院研究人员的长期目标。几十年前，大卫·安德森实验室的研究人员 - 西摩·本泽生物学教授;天桥与陈氏神经科学研究所领导主席;霍华德休斯医学研究所研究员;天桥和陈克丽丝神经科学研究所所长——发现苍蝇避免一氧化碳2作为一种化学物质，表明环境过度拥挤。但最近，迈克尔·迪金森实验室的研究人员——埃丝特·米和阿贝·扎雷姆(Esther M.)和阿贝·扎雷姆(Abe M. Zarem)的生物工程和航空学教授兼生物学和生物工程执行官——发现苍蝇也可以被一氧化碳吸引。2，当用它来嗅出食物的来源时。

“我们的工作建立在这些先前的研究之上，并为一氧化碳的一种可能的神经解决方案。2可能在不同情况下触发苍蝇的相反行为。这是我在加州理工学院的实验室的一大亮点，有机会直接与David和Michael的实验室互动，并讨论我们的工作与他们的工作之间的联系，“洪说。

下一个主要问题是了解这些平行的嗅觉轴突是如何相互交谈的。该团队排除了神经元用来交流的大多数形式的经典化学传递，嗅觉神经元能够在轴突之间发送和接收信息的机制是神秘的。解决这个问题可能会为动物大脑如何检测和处理感官信息提供新的见解。

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