Powiązany artykuł badawczy Ko KI, Root CM, Lindsay SA, Zaninovich OA, Shepherd AK, Wasserman SA, Kim SM, Wang JW. 2015. Głód promuje skoordynowaną modulację apetytywnego zachowania węchowego poprzez równoległe obwody neuromodulacyjne. eLife4: e08298. doi: 10.7554 / eLife.08298
Obraz Głód zmienia sposób, w jaki system węchowy much przetwarza zapachy żywności
Powszechne wyrażenie każe nam wierzyć, że „więcej much można złapać miodem niż octem”. Nie dotyczy to jednak muszki owocowej Drosophila melanogaster (xkcd, 2007). Dorosłe muchy żerują na drobnoustrojach przejrzałych owoców, opierając się na swoim węchu w celu wykrycia kwasu octowego (substancji chemicznej, która nadaje occie ostry aromat), który gromadzi się podczas fermentacji owoców. Jednak muchy mają tendencję do ignorowania lub nawet unikania zarówno niskiego poziomu octu (co sugeruje, że owoc nie jest wystarczająco dojrzały), jak i wysokiego poziomu octu (co sugeruje, że owoc może być zgniły).
Teraz, w eLife, Jing Wang i współpracownicy z University of California w San Diego – w tym Kang Ko jako pierwszy autor – elegancko ujawniają, co dzieje się w mózgach much, co pozwala im badać szerszy zakres stężeń zapachu octu, gdy są głodne (Ko et al., 2015) .Z ich danych wynika również, że głód ma bardziej zniuansowany wpływ na wczesne przetwarzanie informacji węchowych niż wcześniej przewidywano: głód nie tylko poprawia wrażliwość much na zapachy żywności. Zamiast tego wywołuje określone reakcje (zarówno pobudzające, jak i hamujące), które zachęcają muchy do żerowania na nieoptymalnych źródłach pożywienia. W ten sposób Ko i wsp. ewentualnie dostarczyć dodatkowych dowodów na poparcie poglądu, że robienie zakupów spożywczych na pusty żołądek nie jest rozsądne, aby sygnały głodu nie osłabiły zdolności odróżniania dobrego jedzenia od złego.
Praca Ko i wsp. jest kulminacją serii badań, w których zajęto się sposobem przetwarzania przez Drosophila informacji o tym ważnym zapachu żywności. W muszkach owocowych, podobnie jak u ludzi i innych kręgowców, neurony węchowe, które wykrywają określone lotne substancje chemiczne, łączą się w dyskretne skupiska synaps w obrębie mózg zwany kłębuszkami. Neurony węchowe, które wykrywają tę samą substancję chemiczną, łączą się z tym samym kłębuszkiem. W zależności od stężenia zapach octu aktywuje od 6 do 8 z 40 lub więcej kłębuszków w mózgu muszki owocowej. Jednak poprzednie przełomowe badanie przeprowadzone przez Wang grupa ujawniła, że aktywność pojedynczego kłębuszka węchowego, określanego jako DM1, może wyjaśnić większość przyciągania much do octu (Semmelhack i Wang, 2009). Wyłączenie receptorów łączących się z DM1 spowodowało, że muchy zignorowały zapach octu. Z drugiej strony, przywrócenie jedynie aktywności neuronów DM1 u much „anosmicznych” (to znaczy much, które utraciły prawie cały węch) wystarczyło, aby ponownie przyciągnął je ocet.
Wyżej stężenia octu rekrutują tylko jeden dodatkowy kłębuszek nerkowy, zwany DM5, a sama aktywność DM5 może wyjaśniać, dlaczego muchy unikają octu, jeśli zapach jest zbyt silny (Semmelhack i Wang, 2009). Stąd konkurencyjna interakcja między DM1 i DM5 (które są aktywowane przy różnych stężeniach zapachu octu) może ostatecznie determinować, czy mucha zdecyduje się zbliżyć do potencjalnego źródła pożywienia, czy też trzymać się z daleka.
Głód ma głęboki wpływ na zachowanie zwierząt, a głodne muchy znajdują niewielką kroplę pożywienia z dodatkiem octu znacznie szybciej niż muchy, które były karmione (Root i in., 2011). Hormon insulina pośrednio pośredniczy w tym działaniu. Głód powoduje gwałtowny spadek poziomu insuliny, wyzwalając łańcuch zdarzeń, który ostatecznie powoduje, że neurony węchowe DM1 zwiększają ekspresję określonego białka receptorowego. Ten receptor wykrywa cząsteczkę sygnałową zwaną „krótkim neuropeptydem F”. Po związaniu się z receptorem ten neuropeptyd skutecznie wzmacnia lub zwiększa „wzrost” aktywności DM1. Ponieważ neurony DM1 kontrolują pociąganie muszek owocowych do octu, odkrycie to wydaje się elegancko wyjaśniać, w jaki sposób sygnalizacja insuliny może skłonić głodne muchy do szerszego poszukiwania pożywienia.
Teraz okazuje się, że to nie wszystko. . Rozszerzając zakres badanych stężeń zapachów, Ko i wsp. Odkryli teraz, że ten mechanizm wyjaśnia tylko, w jaki sposób głodne muchy zwiększają swoją atrakcyjność do niskich stężeń zapachu octu. Przy wyższych stężeniach, wygłodzone muchy nadal ścigają ocet silniej niż karmione zwierzęta kontrolne, nawet gdy sygnalizacja za pośrednictwem krótkiego neuropeptydu F jest zmniejszona (Ko i in., 2015). Czy dodatkowy neuropeptyd może tłumaczyć tę różnicę? Aby wyszukać brakujący sygnał głodu, Ko i wsp. zbadali inne białka receptorowe, szukając tych, które były zwiększone w neuronach czuciowych w wyniku głodu.Receptor tachykininy (zwany w skrócie DTKR) okazał się silnym kandydatem, zwłaszcza dlatego, że było wiadomo, że może dostroić odpowiedzi neuronów węchowych muchy (Ignell et al., 2009).
Reszta historii Ko i wsp. Pięknie podąża za logicznym scenariuszem: obniżenie poziomu DTKR rzeczywiście zmniejszyło zachowanie w poszukiwaniu pożywienia u głodnych much narażonych na wysokie, ale nie niskie stężenia octu. Podobnie DM5 (kłębuszek odpowiedzialny za unikanie wysokich poziomów octu) był mniej aktywny u wygłodzonych much, ale jego aktywność można było przywrócić do poziomu karmionej muchy, gdy DTKR został powalony. Wreszcie Ko i wsp. zidentyfikowali insulinę jako prawdopodobny sygnał, który działa przed DTKR u głodujących much.
Podsumowując, dane sugerują model, w którym spadek poziomu insuliny u głodujących much wyzwala dwa uzupełniające się neuropeptydy układy sygnalizacyjne obejmujące krótki neuropeptyd F i tachykininę . Jeden pomaga w przekazywaniu sygnałów w kłębuszku DM1, co sprawia, że muchy są bardziej wrażliwe na atrakcyjne zapachy żywności. Równolegle drugi wyłącza transmisję na DM5, co sprawia, że muchy rzadziej unikają zwykle nieprzyjemnych lub nieprzyjemnych zapachów. Razem systemy te pozwalają muchom na poszukiwanie mniej niż optymalnych źródeł pożywienia w czasach niedoboru (Rysunek 1).
Ocet (lub kwas octowy) jest ostatecznym produktem procesu fermentacji owoców, dlatego muszki wabią ocet. Jednak zarówno niskie, jak i wysokie stężenia zapachu octu pozostawiają muchy obojętne (po lewej). Dzieje się tak, ponieważ niskie stężenia wskazują, że owoc jest właśnie dojrzały (zielony banan), podczas gdy wysokie stężenia oznaczają, że jest zgniły (brązowy banan). Głodne muchy zachowują się inaczej, ponieważ niski poziom insuliny spowodowany głodem wyzwala dwa różne neuropeptydowe systemy sygnalizacji, które zmieniają ich odpowiedzi węchowe (po prawej). U głodnych much receptor krótkiego neuropeptydu F (zwanego sNPFR) jest regulowany w górę w podzbiorze neuronów węchowych. Pomaga to w przekazywaniu sygnałów w kłębuszkach DM1, co zwiększa wrażliwość na niskie stężenia atrakcyjnych zapachów żywności. Równolegle podwyższona sygnalizacja tachykininy (przez receptor DTKR) hamuje przekazywanie sygnałów w kłębuszku DM5. Zmniejsza to unikanie normalnie nieprzyjemnych zapachów (takich jak wysokie stężenie octu). Razem te efekty pozwalają na poszukiwanie mniej niż optymalnych źródeł pożywienia (oznaczonych zielonymi strzałkami wskazującymi na świeżo dojrzałe i zgniłe banany). DM1 i DM5 są specyficznymi kłębuszkami kłębuszkowymi znajdującymi się w płatku przedsionkowym (AL) mózgu muchy, a ich intensywność koloru reprezentuje siłę ich aktywacji u much karmionych i głodnych.
To badanie silnie pokazuje mocne strony modelu muchowego jako platformy do badania, w jaki sposób mózg oblicza bodźce sensoryczne. Od sprytnych testów behawioralnych po wyrafinowane manipulacje genetyczne i obrazowanie aktywności mózgu, praca opisuje, jak ważny bodziec sensoryczny jest traktowany na różne sposoby w zależności od stanu wewnętrznego zwierzęcia (to znaczy głodnego lub nie). Ponieważ to, co jest prawdą w odniesieniu do much, jest często – przynajmniej w zarysie – prawdą w odniesieniu do człowieka, obszar badań jest teraz dojrzały do przedstawienia zasad przetwarzania sensorycznego, które mogą mieć zastosowanie do wielu, jeśli nie wszystkich, gatunków zwierząt.
