蠕虫在食物草坪上漫游时比生活在里面时产卵更多

对于线虫来说，它吃的细菌的大草坪是分散卵的好地方，这样每一个孵化出来的卵都能进入营养环境。这就是为什么当蠕虫在食物块上快速漫游时，会有序地产卵。麻省理工学院皮克尔学习和记忆研究所的神经科学家进行的一项新研究调查了这种动作协调的一个例子——产卵与动物漫游有关——并证明了神经系统是如何协调不同的行为输出的。这是许多生物在日常生活中面临的挑战，尽管方式不同。

科学家指出，“所有动物都表现出协调各种运动项目的出色能力，但人们对大脑中允许这种协调的机制知之甚少。”包括麻省理工学院大脑李斯特兄弟职业发展助理教授史蒂文弗拉维尔在内的科学家指出。认知科学。

这项研究发表在6月8日的《电子生活》杂志上，来自弗拉维尔实验室的内森瑟马克(Nathan Cermak)、斯蒂芬妮余(Stephanie Yu)和丽贝卡克拉克(Rebekah Clark)是共同的主要作者。

新的成像平台

为了研究动物如何协调它们的运动，Flavell的团队发明了一种新的显微镜平台，可以连续几个小时或几天拍摄清晰且高帧率的线虫视频。在定制软件的指导下，示波器自动跟踪蠕虫，这样研究人员就可以收集关于每种动物行为的信息。该团队还开发了机器视觉软件，从这些视频中自动提取关于秀丽隐杆线虫运动程序的信息——运动、进食、产卵等。从而产生每种动物行为输出的近乎全面的图像。Flavell表示，该范围的零件成本约为3000美元，可以使用团队的在线教程在一两天内组装完成。他们已经免费在线发布了软件和系统软件。

通过使用该系统，然后分析数据，弗拉维尔的团队第一次能够识别出涉及多种运动协调的各种线虫行为模式。Flavell说，从系统和后续分析中获得的一个洞见是，经过深入研究，线虫(科学上称为线虫)的行为比常规假设更加鲜明。例如，发现先前基于动物停留状态定义的称为“停留”的行为状态实际上由许多不同的子状态组成，这可以通过这种新的成像方法容易地识别。

多巴胺协调行为

然而，从分析中最明显的新行为模式之一是观察到蠕虫在食物草坪上漫游时比生活时产卵更多。这可能使动物能够在营养丰富的环境中完全分散卵。之前的工作仔细定义了两个运动回路来控制动物的运动和产卵。因此，基于他们的新发现，弗拉维尔的团队决定研究蠕虫的神经系统是如何运动和产卵的。事实上，这取决于神经递质多巴胺，它在包括人类在内的所有动物中都很丰富。

他们首先敲除了各种神经递质和其他大脑调节分子的基因。其中许多候选者，如血清素，以重要的方式影响了动物的行为，但它们没有打破漫游和产卵之间的联系。直到研究小组敲除了产生多巴胺所需的一种叫做cat-2的基因，这种蠕虫才停止在漫游时增加产卵量。值得注意的是，它不会影响在家产卵的速度，这说明没有多巴胺的蠕虫在其他行为中仍然可以正常产卵。

该团队通过使用光遗传学直接控制产生多巴胺的细胞，进一步证实了多巴胺的作用。光遗传学是一种通过闪光来开启或关闭神经元活动的技术。在这些实验中，他们了解到，只有当动物在漫游时，突然关闭多巴胺能神经元才能减少卵子的产生，但激活这些神经元可以驱动动物开始产卵，即使卵子的速度加快。通常更低。

接下来，研究小组想知道触发这种协调反应的多巴胺何时何地出现。他们设计了蠕虫，使其神经元在电活动时发光，这是由钙离子的激增提供的。从这些闪光中，他们看到一种产生多巴胺的特殊神经元PDE在蠕虫在食物草坪上游荡时特别活跃，其活性随着蠕虫的运动而波动。他们发现，蠕虫在采取促进产卵的姿势之前达到顶峰，但只有当蠕虫沿着细菌食物源爬行时，它才达到顶峰。值得注意的是，神经元有一种方式来感受蠕虫在体外的食物——一种叫做纤毛的类似毛发的小结构。这些研究表明，PDE神经元将环境中食物的存在与蠕虫自身的运动整合在一起，从而产生一种活动模式，本质上报告了蠕虫在其营养环境中的发育速度。这个神经元以及可能的其他神经元释放的多巴胺可以将这些信息传递给产卵回路，从而协调行为。

Flavell的团队还绘制了多巴胺下游的神经回路，发现其功能由D2多巴胺受体D2家族中的两种受体(dop-2和dop-3)介导。此外，一组使用神经递质-氨基丁酸的神经元似乎在多巴胺释放的下游起着关键作用。他们假设多巴胺的作用可能是向丰富的食物和漫游行为发出信号，以超过-氨基丁酸对产卵的抑制，从而使这种行为能够继续。

最后，边漫游边下蛋只是实验室选择分析的运动程序耦合的一个例子。Flavell和合著者指出，还有许多其他方法。

“这项研究让我们兴奋的一点是，在这种新的显微镜平台的帮助下，现在可以很容易地同时测量这种动物产生的每一个主要运动程序。希望我们可以开始考虑它作为动物所产生的所有行为。完整且协调的场景，r

dquo;他们说。

研究小组指出，最近开发的用于全脑钙成像的技术为测量包括蠕虫在内的各种动物大脑的神经元活动提供了可能性。

为了理解这些全面的神经影像数据集，重要的是要考虑它们与整个大脑的输出之间的关系：动物产生的行为输出的全部组成部分。”

国家科学基金会，美国国立卫生研究院，JPB基金会和脑与行为研究基金会对此研究提供了支持。