Verwandter Forschungsartikel Ko KI, Wurzel CM, Lindsay SA, Zaninovich OA, Schäfer AK, Wasserman SA, Kim SM, Wang JW. 2015. Hunger fördert die konzertierte Modulation des appetitlichen Geruchsverhaltens über parallele neuromodulatorische Schaltkreise. eLife4: e08298. doi: 10.7554 / eLife.08298
Image Hunger verändert, wie das Fliegengeruchssystem Lebensmittelgerüche verarbeitet.
Ein allgemeiner Ausdruck lässt uns glauben, dass man mit Honig mehr Fliegen fangen kann als mit Essig. Dies gilt jedoch nicht für die Fruchtfliege Drosophila melanogaster (xkcd, 2007). Erwachsene Fliegen suchen auf überreifen Früchten nach Mikroben und verlassen sich dabei auf ihren Geruchssinn, um die Essigsäure (die Chemikalie, die dem Essig sein scharfes Aroma verleiht) zu erkennen, die sich beim Fermentieren der Früchte ansammelt. Fliegen neigen jedoch dazu, sowohl niedrige Essigmengen (die darauf hindeuten, dass die Früchte nicht reif genug sind) als auch hohe Essigmengen (die darauf hindeuten, dass die Früchte möglicherweise faul sind) zu ignorieren oder sogar zu vermeiden.
Nun, In eLife enthüllen Jing Wang und Mitarbeiter der University of California in San Diego – einschließlich Kang Ko als Erstautor – auf elegante Weise, was im Gehirn von Fliegen passiert, was es ihnen ermöglicht, bei Hunger einen breiteren Bereich von Essiggeruchskonzentrationen zu verfolgen (Ko et al., 2015). Ihre Daten zeigen auch, dass Hunger einen differenzierteren Einfluss auf die frühe Verarbeitung von Geruchsinformationen hat als bisher angenommen: Hunger kann nicht nur die Empfindlichkeit der Fliegen gegenüber Lebensmittelgerüchen verbessern. Stattdessen löst es spezifische Reaktionen (sowohl anregend als auch hemmend) aus, die die Fliegen dazu ermutigen, nach nicht optimalen Nahrungsquellen zu suchen. Dabei haben Ko et al. Möglicherweise liefern Sie zusätzliche Beweise, um die Annahme zu untermauern, dass es nicht ratsam ist, auf nüchternen Magen einkaufen zu gehen, damit Hungersignale nicht Ihre Fähigkeit beeinträchtigen, gutes Essen von schlechtem zu unterscheiden.
Die Arbeit von Ko et al ist der Höhepunkt einer Reihe von Studien, die sich mit der Verarbeitung von Informationen über diesen wichtigen Lebensmittelgeruch durch Drosophila befasst haben. Bei Fruchtfliegen verdrahten sich die olfaktorischen Neuronen, die bestimmte flüchtige Chemikalien nachweisen, ähnlich wie bei Menschen und anderen Wirbeltieren zu diskreten Synapsenclustern innerhalb der Gehirn genannt Glomeruli. Riechneuronen, die dieselbe Chemikalie nachweisen, verbinden sich alle mit demselben Glomerulus. Je nach Konzentration aktiviert Essiggeruch 6 bis 8 der rund 40 Glomeruli im Gehirn von Fruchtfliegen. Eine frühere wegweisende Studie von Wang Die Gruppe zeigte, dass die Aktivität eines einzelnen olfaktorischen Glomerulus, der als DM1 bezeichnet wird, den größten Teil der Anziehungskraft einer Fliege auf Essig erklären könnte (Semmelhack und Wang, 2009). Durch Ausschalten der Rezeptoren, die mit DM1 verbunden sind, ignorierten die Fliegen den Essiggeruch. Andererseits reichte es aus, nur die Aktivität von DM1-Neuronen in ansonsten „anosmischen“ Fliegen (dh Fliegen, die fast jeglichen Geruchssinn verloren haben) wiederherzustellen, um sie wieder von Essig angezogen zu machen.
Höher Essigkonzentrationen rekrutieren nur einen zusätzlichen Glomerulus, DM5 genannt, und die Aktivität von DM5 allein kann erklären, warum Fliegen Essig meiden, wenn der Geruch zu stark ist (Semmelhack und Wang, 2009). Daher kann die kompetitive Wechselwirkung zwischen DM1 und DM5 (die bei unterschiedlichen Essiggeruchskonzentrationen aktiviert werden) letztendlich bestimmen, ob sich die Fliege entscheidet, sich einer potenziellen Nahrungsquelle zu nähern oder sich fernzuhalten.
Hunger hat einen tiefgreifenden Einfluss auf Tierverhalten und hungrige Fliegen finden viel schneller einen kleinen Tropfen mit Essig geschnürtes Futter als gefütterte Fliegen (Root et al., 2011). Das Hormon Insulin vermittelt indirekt diesen Effekt. Hunger führt zu einem Absinken des Insulinspiegels und löst eine Kette von Ereignissen aus, die letztendlich dazu führen, dass DM1-Riechneuronen die Expression eines bestimmten Rezeptorproteins erhöhen. Dieser Rezeptor erkennt ein Signalmolekül namens „kurzes Neuropeptid F“. Bei der Bindung an den Rezeptor verstärkt dieses Neuropeptid effektiv die DM1-Aktivität oder erhöht deren „Gewinn“. Da DM1-Neuronen die Anziehungskraft einer Fruchtfliege auf Essig kontrollieren, schien dieser Befund elegant zu erklären, wie Insulinsignale dazu führen können, dass hungrige Fliegen häufiger nach Nahrung suchen.
Es stellt sich nun heraus, dass dies nicht die ganze Geschichte ist Durch die Erweiterung des Bereichs der getesteten Geruchskonzentrationen stellen Ko et al. Jetzt fest, dass dieser Mechanismus nur erklärt, wie hungrige Fliegen ihre Anziehungskraft auf niedrige Essiggeruchskonzentrationen steigern. Bei höheren Konzentrationen verfolgen ausgehungerte Fliegen Essigfutter sogar noch robuster als gefütterte Kontrollen Wenn die durch kurzes Neuropeptid F vermittelte Signalübertragung reduziert ist (Ko et al., 2015). Könnte ein zusätzliches Neuropeptid diesen Unterschied erklären? Um nach diesem fehlenden Hungersignal zu suchen, untersuchten Ko et al. andere Rezeptorproteine und suchten nach solchen, die erhöht waren in sensorischen Neuronen infolge von Hunger.Der Tachykinin-Rezeptor (kurz DTKR genannt) erwies sich als starker Kandidat, insbesondere weil bekannt war, dass er die Reaktionen der Riechneuronen der Fliege abschwächen kann (Ignell et al., 2009).
Der Rest der Geschichte von Ko et al. Folgt wunderbar einem logischen Drehbuch: Durch das Verringern des DTKR-Spiegels wurde das Verhalten bei der Nahrungssuche bei hungrigen Fliegen, die hohen, aber nicht niedrigen Essiggeruchskonzentrationen ausgesetzt waren, tatsächlich verringert. In ähnlicher Weise war DM5 (der Glomerulus, der für die Vermeidung hoher Essigkonzentrationen verantwortlich ist) bei ausgehungerten Fliegen weniger aktiv, aber seine Aktivität konnte wieder auf die einer gefütterten Fliege gebracht werden, wenn DTKR niedergeschlagen wurde. Schließlich haben Ko et al. identifizierte Insulin als das wahrscheinliche Signal, das bei hungernden Fliegen stromaufwärts von DTKR wirkt.
Zusammengenommen legen die Daten ein Modell nahe, bei dem sinkende Insulinspiegel bei hungernden Fliegen zwei komplementäre Neuropeptid-Signalsysteme auslösen, an denen das kurze Neuropeptid F und Tachykinin beteiligt sind . Man hilft bei der Übertragung von Signalen am DM1-Glomerulus, wodurch die Fliegen empfindlicher auf attraktive Futtergerüche reagieren. Parallel dazu lehnt der andere die Übertragung bei DM5 ab, wodurch die Wahrscheinlichkeit geringer ist, dass die Fliegen normalerweise unangenehme oder aversive Gerüche vermeiden. Zusammen ermöglichen diese Systeme Fliegen, in Zeiten des Mangels nicht optimale Nahrungsquellen zu verfolgen (Abbildung 1).
Essig (oder Essigsäure) ist das Endprodukt des Fermentationsprozesses in Früchten, weshalb Fruchtfliegen vom Essiggeruch angezogen werden. Sowohl niedrige als auch hohe Konzentrationen an Essiggeruch lassen Fliegen jedoch gleichgültig (links). Dies liegt daran, dass niedrige Konzentrationen darauf hinweisen, dass die Frucht gerade reif ist (grüne Banane), während hohe Konzentrationen bedeuten, dass sie faul ist (braune Banane). Hungrige Fliegen verhalten sich unterschiedlich, weil die durch Hunger verursachten niedrigen Insulinspiegel zwei unterschiedliche Neuropeptid-Signalsysteme auslösen, die ihre Geruchsreaktionen umformen (rechts). Bei hungrigen Fliegen ist der Rezeptor für das kurze Neuropeptid F (sNPFR genannt) in einer Untergruppe von olfaktorischen Neuronen hochreguliert. Dies unterstützt die Übertragung von Signalen innerhalb des DM1-Glomerulus, wodurch die Empfindlichkeit gegenüber niedrigen Konzentrationen attraktiver Lebensmittelgerüche erhöht wird. Parallel dazu hemmt eine erhöhte Tachykinin-Signalübertragung (über den DTKR-Rezeptor) die Übertragung von Signalen innerhalb des DM5-Glomerulus. Dies verringert die Vermeidung von normalerweise unangenehmen Gerüchen (wie z. B. hohen Essigkonzentrationen). Zusammen ermöglichen diese Effekte die Suche nach nicht optimalen Nahrungsquellen (dargestellt durch die grünen Pfeile, die auf die gerade reifen und faulen Bananen zeigen). DM1 und DM5 sind spezifische Glomeruli, die im Antennenlappen (AL) des Fliegenhirns gefunden werden, und ihre Farbintensität repräsentiert die Stärke ihrer Aktivierung bei gefütterten und hungrigen Fliegen.
Diese Studie demonstriert eindrücklich die Stärken des Fliegenmodells als Plattform, um zu untersuchen, wie das Gehirn sensorische Reize berechnet. Von cleveren Verhaltenstests über ausgefeilte genetische Manipulationen bis hin zur Bildgebung der Gehirnaktivität beschreibt die Arbeit, wie ein wichtiger sensorischer Hinweis je nach innerem Zustand des Tieres (dh hungrig oder nicht) auf unterschiedliche Weise behandelt wird. Da das, was für die Fliege gilt, häufig – zumindest in groben Zügen – für den Menschen gilt, ist das Forschungsgebiet jetzt reif, Prinzipien der sensorischen Verarbeitung beizutragen, die auf viele, wenn nicht alle Tierarten anwendbar sein können.
