Gerelateerd onderzoeksartikel Ko KI, Root CM, Lindsay SA, Zaninovich OA, Shepherd AK, Wasserman SA, Kim SM, Wang JW. 2015. Uithongering bevordert een gecoördineerde modulatie van appetitief olfactorisch gedrag via parallelle neuromodulerende circuits. eLife4: e08298. doi: 10.7554 / eLife.08298
Image Hunger verandert de manier waarop het vliegen-olfactorische systeem voedselgeuren verwerkt
Een veel voorkomende uitdrukking zou ons doen geloven dat ‘je meer vliegen kunt vangen met honing dan met azijn’. Maar dat geldt niet voor de fruitvlieg Drosophila melanogaster (xkcd, 2007). Volwassen vliegen zoeken naar microben op overrijp fruit en vertrouwen op hun reukvermogen om het azijnzuur (de chemische stof die azijn zijn scherpe aroma geeft) te detecteren dat zich ophoopt terwijl het fruit fermenteert. Vliegen hebben echter de neiging om zowel een laag azijngehalte (wat suggereert dat het fruit niet rijp genoeg is) als een hoog azijngehalte (wat suggereert dat het fruit rot kan zijn) te negeren of zelfs te vermijden.
Nu, in eLife laten Jing Wang en collega’s van de University of California, San Diego – waaronder Kang Ko als eerste auteur – op elegante wijze zien wat er gebeurt in de hersenen van vliegen, waardoor ze een breder scala aan azijngeurconcentraties kunnen nastreven als ze honger hebben (Ko et Al., 2015). Uit hun gegevens blijkt ook dat uithongering een meer genuanceerde invloed heeft op de vroege verwerking van olfactorische informatie dan eerder werd verwacht: honger doet meer dan alleen de gevoeligheid van vliegen voor voedselgeuren afstemmen. In plaats daarvan triggert het specifieke reacties (zowel prikkelende als remmende) die de vliegen aanmoedigen om te foerageren op suboptimale voedselbronnen. Daarbij Ko et al. geef eventueel aanvullend bewijs om het idee te ondersteunen dat het niet verstandig is om op een lege maag boodschappen te doen, anders kunnen hongersignalen uw vermogen om goed van slecht voedsel te onderscheiden aantasten.
Het werk van Ko et al. is het resultaat van een reeks onderzoeken die hebben onderzocht hoe Drosophila informatie over deze belangrijke voedselgeur verwerkt. Bij fruitvliegen, net als bij mensen en andere gewervelde dieren, verbinden de reukneuronen die specifieke vluchtige chemicaliën detecteren zich tot discrete clusters van synapsen in de hersenen genaamd glomeruli. Olfactorische neuronen die dezelfde chemische stof detecteren, verbinden allemaal met dezelfde glomerulus. Afhankelijk van de concentratie activeert azijngeur 6 tot 8 van de ongeveer 40 glomeruli in de fruitvlieghersenen. Een eerdere mijlpaalstudie van de Wang groep onthulde dat de activiteit van een enkele olfactorische glomerulus, DM1 genoemd, de meeste aantrekkingskracht van een vlieg op azijn zou kunnen verklaren (Semmelhack en Wang, 2009). Door de receptoren die verbinding maken met DM1 uit te schakelen, negeerden de vliegen de geur van azijn. Aan de andere kant was het herstellen van alleen de activiteit van DM1-neuronen in anders ‘anosmische’ vliegen (dat wil zeggen vliegen die bijna alle reukvermogen hebben verloren) voldoende om ze weer door azijn aangetrokken te laten worden.
Hoger azijnconcentraties zorgen voor slechts één extra glomerulus, DM5 genaamd, en de activiteit van DM5 op zichzelf kan verklaren waarom vliegen azijn vermijden als de geur te sterk is (Semmelhack en Wang, 2009). Daarom kan de competitieve interactie tussen DM1 en DM5 (die worden geactiveerd bij verschillende azijngeurconcentraties) uiteindelijk bepalen of de vlieg besluit een potentiële voedselbron te benaderen of weg te blijven.
Honger heeft een grote invloed op diergedrag en hongerige vliegen vinden een kleine druppel azijngeregen voedsel veel sneller dan vliegen die zijn gevoerd (Root et al., 2011). Het hormoon insuline bemiddelt indirect dit effect. Uithongering zorgt ervoor dat het insulinegehalte sterk daalt, wat een reeks gebeurtenissen op gang brengt die er uiteindelijk voor zorgen dat DM1 olfactorische neuronen de expressie van een specifiek receptoreiwit verhogen. Deze receptor detecteert een signaalmolecuul genaamd ‘korte neuropeptide F’. Na binding aan de receptor versterkt dit neuropeptide effectief, of verhoogt het de ‘winst’ van DM1-activiteit. Aangezien DM1-neuronen de aantrekkingskracht van een fruitvlieg tot azijn beheersen, leek deze bevinding op elegante wijze te verklaren hoe insulinesignalering ertoe kan leiden dat hongerige vliegen op grotere schaal naar voedsel zoeken.
Nu blijkt dat dit niet het hele verhaal is. Door het bereik van de geteste geurconcentraties uit te breiden, vinden Ko et al. Nu dat dit mechanisme alleen verklaart hoe hongerige vliegen hun aantrekkingskracht op lage azijngeurconcentraties vergroten. Bij hogere concentraties jagen uitgehongerde vliegen azijnvoedsel nog steeds krachtiger na dan gevoede controles, zelfs wanneer signalering gemedieerd door korte neuropeptide F wordt verminderd (Ko et al., 2015). Kan een extra neuropeptide dit verschil verklaren? Om naar dit ontbrekende hongersignaal te zoeken, onderzochten Ko et al. andere receptoreiwitten, op zoek naar degenen die verhoogd waren in sensorische neuronen als gevolg van uithongering.De tachykininereceptor (kortweg DTKR genoemd) kwam naar voren als een sterke kandidaat, vooral omdat bekend was dat hij de reacties van de reukneuronen van de vliegen kan afzwakken (Ignell et al., 2009).
De rest van Ko et al. ‘S verhaal volgt prachtig een logisch script: het verlagen van de niveaus van DTKR verminderde inderdaad het voedselzoekgedrag bij hongerige vliegen die werden blootgesteld aan hoge, maar niet lage concentraties azijngeur. Evenzo was DM5 (de glomerulus die verantwoordelijk is voor het vermijden van hoge concentraties azijn) minder actief bij uitgehongerde vliegen, maar de activiteit ervan kon weer worden verhoogd tot die van een gevoede vlieg wanneer DTKR werd neergeslagen. Ten slotte, Ko et al. identificeerde insuline als het waarschijnlijke signaal dat stroomopwaarts van DTKR werkt bij uitgehongerde vliegen.
Alles bij elkaar genomen suggereren de gegevens een model waarin dalende insulinespiegels bij uitgehongerde vliegen twee complementaire neuropeptidesignaleringssystemen activeren met betrekking tot korte neuropeptide F en tachykinine . De ene helpt bij de overdracht van signalen op de DM1 glomerulus, waardoor de vliegen gevoeliger worden voor aantrekkelijke voedselgeuren. Tegelijkertijd verlaagt de andere de transmissie bij DM5, waardoor de vliegen normaal gesproken onaangename of aversieve geuren minder snel vermijden. Samen zorgen deze systemen ervoor dat vliegen in tijden van schaarste naar minder dan optimale voedselbronnen zoeken (Figuur 1).
Azijn (of azijnzuur) is het ultieme product van het fermentatieproces in fruit, daarom worden fruitvliegjes aangetrokken door de geur van azijn. Zowel lage als hoge concentraties azijngeur laten vliegen echter onverschillig (links). Dit komt doordat lage concentraties erop wijzen dat de vrucht net rijp is (groene banaan), terwijl hoge concentraties betekenen dat het verrot is (bruine banaan). Hongerige vliegen gedragen zich anders omdat de lage insulinespiegels veroorzaakt door uithongering twee verschillende neuropeptidesignaleringssystemen activeren die hun reukreacties hervormen (rechts). Bij hongerige vliegen wordt de receptor voor kort neuropeptide F (sNPFR genoemd) opgereguleerd in een subset van olfactorische neuronen. Dit helpt bij de overdracht van signalen binnen de DM1 glomerulus, waardoor de gevoeligheid voor lage concentraties aantrekkelijke voedselgeuren toeneemt. Tegelijkertijd remt verhoogde Tachykinine-signalering (via de DTKR-receptor) de overdracht van signalen binnen de DM5-glomerulus. Dit vermindert het vermijden van normaal gesproken onaangename geuren (zoals hoge concentraties azijn). Samen maken deze effecten het mogelijk om naar minder dan optimale voedselbronnen te streven (weergegeven door de groene pijlen die naar de net rijpe en rotte bananen wijzen). DM1 en DM5 zijn specifieke glomeruli die worden aangetroffen in de antennale kwab (AL) van de vliegenhersenen en hun kleurintensiteit vertegenwoordigt de kracht van hun activering bij gevoede versus hongerige vliegen.
Deze studie demonstreert op krachtige wijze de sterke punten van het vliegmodel als een platform om te bestuderen hoe de hersenen sensorische stimuli berekenen. Van slimme gedragstesten tot geavanceerde genetische manipulaties en beeldvorming van hersenactiviteit, het werk beschrijft hoe een belangrijke sensorische cue op verschillende manieren wordt behandeld, afhankelijk van de interne toestand van het dier (dat wil zeggen, hongerig of niet). Aangezien wat waar is voor de vlieg, vaak – althans in grote lijnen – waar is voor de mens, is het onderzoeksgebied nu rijp om principes van sensorische verwerking bij te dragen die van toepassing kunnen zijn op vele, zo niet alle diersoorten.
