Relaterad forskningsartikel Ko KI, Root CM, Lindsay SA, Zaninovich OA, Shepherd AK, Wasserman SA, Kim SM, Wang JW. 2015. Svält främjar samordnad modulering av aptitlös luktbeteende via parallella neuromodulatoriska kretsar. eLife4: e08298. doi: 10.7554 / eLife.08298
Image Hunger förändrar hur luktens olfaktoriska system bearbetar matluktar
Ett vanligt uttryck skulle få oss att tro att ”du kan fånga fler flugor med honung än med vinäger”. Men detta är inte sant när det gäller fruktflugan Drosophila melanogaster (xkcd, 2007). Vuxna flugor foder för mikrober på övermogen frukt och förlitar sig på deras luktsinne för att upptäcka ättiksyra (kemikalien som ger vinäger sin skarpa arom) som ackumuleras när frukten jäser. Flugor tenderar emellertid att ignorera eller till och med undvika både låga halter vinäger (vilket tyder på att frukten inte är mogen nog) och höga halter vinäger (vilket tyder på att frukten kan vara ruttna).
Nu, i eLife, Jing Wang och medarbetare vid University of California, San Diego – inklusive Kang Ko som första författare – avslöjar elegant vad som händer i flugor ”hjärnor som gör det möjligt för dem att driva ett bredare utbud av ättika luktkoncentrationer när de är hungriga (Ko et al., 2015). Deras data visar också att svält har ett mer nyanserat inflytande på den tidiga behandlingen av olfaktorisk information än vad som tidigare förutsågs: hunger gör mer än bara att ställa in flugornas känslighet för matlukt. Istället utlöser det specifika svar (både exciterande och hämmande) som uppmuntrar flugorna att foder på suboptima matkällor. Genom detta gjorde Ko et al. möjligen ge ytterligare bevis för att stödja uppfattningen att det inte är klokt att shoppa på tom mage, så att hungersignaler inte kan försämra din förmåga att diskriminera god mat från dåligt.
Ko et al. är kulmen på en serie studier som har tagit upp hur Drosophila bearbetar information om denna viktiga matlukt. I fruktflugor, precis som hos människor och andra ryggradsdjur, tränger de luktneuroner som upptäcker specifika flyktiga kemikalier upp till diskreta kluster av synapser inom hjärnan kallas glomeruli. Olfaktoriska nervceller som detekterar samma kemikalie ansluter sig alla till samma glomerulus. Beroende på koncentrationen aktiverar vinägerlukt 6 till 8 av de 40 glomeruli i fruktflughjärnan. En tidigare landmärkestudie från Wang grupp avslöjade att aktiviteten hos en enda olfaktorisk glomerulus, kallad DM1, kunde förklara det mesta av en fluga attraktion mot vinäger (Semmelhack och Wang, 2009). Att stänga av receptorerna som ansluter till DM1 fick flugorna att ignorera lukten av vinäger. Å andra sidan var det tillräckligt att bara återställa aktiviteten hos DM1-neuroner i annars ’anosmiska’ flugor (det vill säga flugor som har tappat nästan all luktsinne) för att göra dem lockade till vinäger igen.
Högre koncentrationer av ättika rekryterar bara en extra glomerulus, kallad DM5, och aktiviteten av DM5 kan på egen hand förklara varför flugor undviker vinäger om lukten är för stark (Semmelhack och Wang, 2009). Därför kan den konkurrenskraftiga interaktionen mellan DM1 och DM5 (som aktiveras vid olika koncentrationer av ättika lukt) i slutändan avgöra om flugan bestämmer sig för att närma sig en potentiell matkälla eller att hålla sig borta.
Hunger har en djupgående inverkan på djurbeteende och hungriga flugor hittar en liten droppe ättika snurrad mat mycket snabbare än flugor som har matats (Root et al., 2011). Hormoninsulinet förmedlar indirekt denna effekt. Svält får insulinnivåerna att sjunka, vilket utlöser en händelsekedja som i slutändan får DM1-luktneuroner att öka uttrycket för ett specifikt receptorprotein. Denna receptor detekterar en signalmolekyl som kallas ”kort neuropeptid F”. Vid bindning till receptorn förstärker eller visar denna neuropeptid effektivt ”förstärkning” av DM1-aktivitet. Eftersom DM1-nervceller kontrollerar en fruktflugas attraktion mot vinäger verkade denna upptäckt elegant förklara hur insulinsignalering kan leda till att hungriga flugor letar mer efter mat.
Det visar sig nu att detta inte är hela historien Genom att utöka utbudet av testade luktkoncentrationer, finner Ko et al. Nu att denna mekanism bara förklarar hur hungriga flugor ökar sin attraktion till låga koncentrationer av ättika lukt. Vid högre koncentrationer strävar svällda flugor fortfarande med vinegary mat mer robust än matade kontroller, till och med när signalering förmedlad av kort neuropeptid F reduceras (Ko et al., 2015). Kan en ytterligare neuropeptid redogöra för denna skillnad? För att söka efter denna saknade hungersignal undersökte Ko et al. andra receptorproteiner och letade efter de som ökade i sensoriska nervceller som ett resultat av svält.Tachykinin-receptorn (kallad kortfattat DTKR) framträdde som en stark kandidat, särskilt för att det var känt att det kan ställa in svaren från flugans luktneuroner (Ignell et al., 2009).
Resten av Ko et al. Berättelse följer vackert ett logiskt manus: att slå ner nivåerna av DTKR minskade verkligen matbeteende i hungriga flugor som utsattes för höga, men inte låga, ättika luktkoncentrationer. På samma sätt var DM5 (glomerulus som ansvarar för att undvika höga halter vinäger) mindre aktiv i svälta flugor, men dess aktivitet kunde återföras till en matad fluga när DTKR slogs ner. Slutligen Ko et al. identifierade insulin som den troliga signalen som verkar uppströms om DTKR i svältande flugor.
Sammantaget tyder data på en modell där fallande insulinnivåer i svältande flugor utlöser två komplementära neuropeptidsignalsystem som involverar kort neuropeptid F och Tachykinin . Man hjälper till att överföra signaler vid DM1 glomerulus, vilket gör flugorna mer känsliga för attraktiva matlukter. Parallellt vänder den andra ner överföringen vid DM5, vilket gör att flugorna är mindre benägna att undvika normalt obehagliga eller motbjudande luktar. Tillsammans tillåter dessa system flugor att driva mindre än optimala matkällor i tider med brist (Figur 1).
Vinäger (eller ättiksyra) är den ultimata produkten av jäsningsprocessen i frukt, vilket är anledningen till att fruktflugor lockas av ättika lukt. Men både låga och höga koncentrationer av ättika lukt lämnar flugor likgiltiga (vänster). Detta beror på att låga koncentrationer indikerar att frukten är bara mogen (grön banan), medan höga koncentrationer betyder att den är ruttet (brun banan). Hungriga flugor beter sig annorlunda eftersom de låga nivåerna av insulin som orsakas av svält utlöser två distinkta neuropeptidsignalsystem som omformar deras olfaktoriska svar (höger). I hungriga flugor uppregleras receptorn för kort neuropeptid F (kallad sNPFR) i en delmängd av luktneuroner. Detta hjälper till att överföra signaler i DM1 glomerulus, vilket ökar känsligheten för låga koncentrationer av attraktiva matlukter. Parallellt hämmar förhöjd takykininsignalering (genom DTKR-receptorn) överföringen av signaler i DM5-glomerulus. Detta minskar undvikandet av normalt obehagliga dofter (såsom höga koncentrationer av vinäger). Tillsammans möjliggör dessa effekter strävan efter mindre än optimala matkällor (avbildade av de gröna pilarna som pekar mot de bara mogna och ruttna bananer). DM1 och DM5 är specifika glomeruli som finns i antennloben (AL) i flughjärnan och deras färgintensitet representerar styrkan för deras aktivering i matade vs hungriga flugor.
Denna studie visar kraftfullt styrkan i flugmodellen som en plattform för att studera hur hjärnan beräknar sensoriska stimuli. Från smarta beteendeanalyser till sofistikerade genetiska manipulationer och avbildning av hjärnaktivitet, beskriver arbetet hur en viktig sensorisk cue hanteras på olika sätt beroende på djurets inre tillstånd (det vill säga hungrigt eller inte). Eftersom det som är sant för flugan ofta – åtminstone i översikt – är sant för människan, är forskningsområdet nu mogen för att bidra med principer för sensorisk bearbetning som kan vara tillämpliga på många, om inte alla, djurarter.
