Relateret forskningsartikel Ko KI, Root CM, Lindsay SA, Zaninovich OA, Shepherd AK, Wasserman SA, Kim SM, Wang JW. 2015. Sult fremmer samordnet modulering af appetitlig olfaktorisk adfærd via parallelle neuromodulatoriske kredsløb. eLife4: e08298. doi: 10.7554 / eLife.08298
Billed-sult ændrer, hvordan flue-duftsystemet behandler madlugt
Et almindeligt udtryk vil få os til at tro, at ‘du kan fange flere fluer med honning end med eddike’. Men dette er ikke tilfældet i tilfælde af frugtflue Drosophila melanogaster (xkcd, 2007). Voksne fluer foder til mikrober på overmoden frugt og stoler på deres lugtesans for at opdage eddikesyren (det kemikalie, der giver eddike sin skarpe aroma), der akkumuleres, når frugten fermenterer. Fluer har imidlertid en tendens til at ignorere eller endda undgå både lave niveauer af eddike (hvilket tyder på, at frugten ikke er moden nok) og høje niveauer af eddike (hvilket antyder, at frugten måske er rådnet).
Nu, i eLife, Jing Wang og medarbejdere ved University of California, San Diego – inklusive Kang Ko som første forfatter – afslører elegant, hvad der sker i fluer “hjerner, der giver dem mulighed for at forfølge et bredere udvalg af eddike lugtkoncentrationer, når de er sultne (Ko et al., 2015). Deres data viser også, at sult har en mere nuanceret indflydelse på den tidlige behandling af olfaktoriske oplysninger, end man tidligere havde forventet: sult gør mere end bare at justere fluenes følsomhed over for madlugt. I stedet udløser det specifikke reaktioner (både exciterende og hæmmende), der tilskynder fluerne til at foder på suboptimale fødekilder. Ved at gøre dette, Ko et al. muligvis give yderligere bevis for at understøtte forestillingen om, at det ikke er klogt at shoppe på tom mave, for at sultesignaler ikke kan forringe din evne til at skelne mellem god mad og dårlig.
Ko et al. “s arbejde er kulminationen på en række studier, der har behandlet, hvordan Drosophila behandler information om denne vigtige madlugt. I frugtfluer, ligesom hos mennesker og andre hvirveldyr, trækker de olfaktoriske neuroner, der opdager specifikke flygtige kemikalier, op til diskrete klynger af synapser inden i hjerne kaldet glomeruli. Olfaktoriske neuroner, der detekterer det samme kemikalie, forbinder alle med den samme glomerulus. Afhængig af koncentrationen aktiverer eddike lugt 6 til 8 af de 40 eller deromkring glomeruli i frugtfluehjernen. Imidlertid er en tidligere milepælstudie fra Wang gruppe afslørede, at aktiviteten af en enkelt olfaktorisk glomerulus, kaldet DM1, kunne forklare det meste af en flues tiltrækning til eddike (Semmelhack og Wang, 2009). Slukning af receptorer, der forbinder til DM1, fik fluerne til at ignorere lugt af eddike. På den anden side var det kun nok at genoprette aktiviteten af DM1-neuroner i ellers ‘anosmiske’ fluer (dvs. fluer, der har mistet næsten al lugtesans) til at gøre dem tiltrukket af eddike igen.
Højere koncentrationer af eddike rekrutterer kun en ekstra glomerulus, kaldet DM5, og aktiviteten af DM5 alene kan forklare, hvorfor fluer undgår eddike, hvis lugten er for stærk (Semmelhack og Wang, 2009). Derfor kan den konkurrencemæssige interaktion mellem DM1 og DM5 (som aktiveres ved forskellige eddike lugtkoncentrationer) i sidste ende afgøre, om fluen beslutter at nærme sig en potentiel fødekilde eller holde sig væk.
Sult har en dybtgående indvirkning på dyreopførsel og sultne fluer finder en lille dråbe mad med eddike snor meget hurtigere end fluer, der er blevet fodret (Root et al., 2011). Hormonet insulin formidler indirekte denne effekt. Sult får insulinniveauet til at falde ned, hvilket udløser en hændelseskæde, der i sidste ende får DM1-olfaktoriske neuroner til at øge ekspressionen af et specifikt receptorprotein. Denne receptor detekterer et signalmolekyle kaldet ‘kort neuropeptid F’. Efter binding til receptoren forstærker eller viser dette neuropeptid effektivt ‘forstærkning’ af DM1-aktivitet. Da DM1-neuroner styrer en frugtflue tiltrækning af eddike, syntes dette fund elegant at forklare, hvordan insulinsignalering kan få sultne fluer til at se mere efter mad.
Det viser sig nu, at dette ikke er hele historien Ved at udvide rækkevidden af testede lugtkoncentrationer finder Ko et al. Nu, at denne mekanisme kun forklarer, hvordan sultne fluer øger deres tiltrækningskraft til lave eddike lugtkoncentrationer. Ved højere koncentrationer forfølger sultede fluer stadig vinfrisk mad mere robust end fodrede kontroller, selv når signalering medieret af kort neuropeptid F reduceres (Ko et al., 2015). Kunne et yderligere neuropeptid tegne sig for denne forskel? For at søge efter dette manglende sultesignal undersøgte Ko et al. andre receptorproteiner og ledte efter dem, der blev øget i sensoriske neuroner som et resultat af sult.Tachykinin-receptoren (kaldet forkortet DTKR) fremkom som en stærk kandidat, især fordi det vides, at den kan afstemme reaktionerne fra fluens lugtneuroner (Ignell et al., 2009).
Resten af Ko et al. ‘S historie følger smukt et logisk script: at slå niveauerne af DTKR ned reducerede faktisk madfindeadfærd i sultne fluer udsat for høje, men ikke lave, eddike lugtkoncentrationer. Tilsvarende var DM5 (glomerulus, der var ansvarlig for at undgå høje niveauer af eddike) mindre aktiv i sultede fluer, men dens aktivitet kunne bringes tilbage til en fodret flue, når DTKR blev slået ned. Endelig Ko et al. identificeret insulin som det sandsynlige signal, der virker opstrøms for DTKR i sultende fluer.
Samlet set tyder dataene på en model, hvor faldende insulinniveauer i sultende fluer udløser to komplementære neuropeptidsignalsystemer, der involverer kort neuropeptid F og Tachykinin . En hjælper med transmission af signaler ved DM1 glomerulus, hvilket gør fluerne mere følsomme over for attraktive madlugt. Parallelt afviser den anden transmission ved DM5, hvilket gør fluerne mindre tilbøjelige til at undgå normalt ubehagelige eller aversive lugte. Tilsammen giver disse systemer fluer mulighed for at forfølge mindre end optimale fødekilder i tider med mangel (figur 1).
Eddike (eller eddikesyre) er det ultimative produkt af gæringsprocessen i frugt, hvorfor frugtfluer tiltrækkes af eddike lugt. Imidlertid efterlader både lave og høje koncentrationer af eddike lugt fluer ligeglade (venstre). Dette skyldes, at lave koncentrationer indikerer, at frugten er bare moden (grøn banan), mens høje koncentrationer betyder, at den er råddent (brun banan). Sultne fluer opfører sig forskelligt, fordi de lave niveauer af insulin forårsaget af sult udløser to forskellige neuropeptidsignalsystemer, der omformer deres olfaktoriske reaktioner (til højre). I sultne fluer opreguleres receptoren for kort neuropeptid F (kaldet sNPFR) i en delmængde af olfaktoriske neuroner. Dette hjælper transmission af signaler i DM1 glomerulus, hvilket øger følsomheden over for lave koncentrationer af attraktive madlugt. Parallelt hæmmer forhøjet Tachykinin-signalering (gennem DTKR-receptoren) transmission af signaler i DM5-glomerulus. Dette mindsker undgåelsen af normalt ubehagelige lugte (såsom høje koncentrationer af eddike). Tilsammen tillader disse effekter forfølgelsen af mindre end optimale fødekilder (afbildet af de grønne pile, der peger mod de bare modne og rådne bananer). DM1 og DM5 er specifikke glomeruli, der findes i fluehjernens antennelobe (AL), og deres farveintensitet repræsenterer styrken af deres aktivering i fodrede vs sultne fluer.
Denne undersøgelse demonstrerer kraftigt styrken af fluemodellen som en platform til at studere, hvordan hjernen beregner sensoriske stimuli. Fra kloge adfærdsmæssige analyser til sofistikerede genetiske manipulationer og billeddannelse af hjerneaktivitet beskriver arbejdet, hvordan en vigtig sensorisk cue håndteres på forskellige måder afhængigt af dyrets indre tilstand (dvs. sulten eller ej). Da det, der er sandt for fluen, ofte – i det mindste i omrids – er sandt for mennesket, er forskningsområdet nu modent til at bidrage med principper for sensorisk behandling, der kan være gældende for mange, hvis ikke alle, dyrearter.
