eLife：简单的动物模型揭示了环境和状态是如何结合起来控制行为的

　　麻省理工学院(MIT)一项新的神经科学研究显示，刺激和状态(如气味、压力源和饱腹感)如何汇聚在嗅觉神经元中，从而指导模型生物秀丽隐杆线虫的觅食行为。

　　

   

   

图:神经元AWA从蠕虫的大脑延伸到它的鼻子    

图片来源:Ian McLachlan/MIT Picower Institute

假设你住在面包店对面。有时你会感到饥饿，因此当香味飘进你的窗户时，你会受到诱惑，但有时饱腹会让你无动于衷。有时，你的前女友也会出现在你身边。你的大脑在决定你要做什么时平衡了许多影响因素。麻省理工学院(MIT)的一项新研究详细介绍了在一种简单得多的动物身上发挥作用的例子，强调了神经系统如何整合多种因素来指导觅食行为的潜在基本原理。

所有动物在制定行为时都面临权衡各种感官线索和内部状态的挑战，但科学家们对这是如何发生的知之甚少。获得深刻的见解，皮考尔学习与记忆研究所的研究团队转而研究秀丽隐杆线虫蠕虫，其明确的行为状态和302个细胞的神经系统使这个复杂的问题至少可以处理。他们以一个名为AWA的重要嗅觉神经元为研究对象，研究了许多状态和感觉信息来源如何汇聚到一起，独立地抑制一个关键嗅觉受体的表达。它们对受体丰度的影响的整合决定了AWA如何引导四处寻找食物。

“在这项研究中，我们基于动物经历的持续状态和刺激，剖析了控制单个嗅觉神经元中单个嗅觉受体水平的机制，”资深作者Steven Flavell说，他是麻省理工学院大脑和认知科学系李斯特兄弟的副教授。“了解整合在一个细胞中是如何发生的，将为它在其他蠕虫神经元和其他动物中通常是如何发生指明方向。”

麻省理工学院博士后Ian McLachlan领导的这项研究发表在8月31日eLife．他说，团队在开始研究时并不一定知道会发现什么。

他说:“我们惊讶地发现，动物的内部状态可以在感觉神经元水平上对基因表达产生如此大的影响——本质上，饥饿和压力通过改变感觉神经元的反应，改变了动物感知外部世界的方式。”“我们还兴奋地发现，化学受体的表达不仅取决于一种输入，而是取决于外部环境、营养状况和压力水平的总和。这是一种思考动物如何在大脑中编码竞争状态和刺激的新方法。”

事实上，McLachlan、Flavell和他们的团队并没有专门去寻找神经元AWA或特定的嗅觉化学受体，被称为tr -44。相反，这些目标来自于他们收集的公正的数据，他们观察蛔虫在不进食3小时后，哪些基因的表达变化最大，而不是在喂食充足的情况下。作为一个类别，许多化学感觉受体的基因显示出巨大的差异。AWA被证明是一个具有大量上调基因的神经元，其中两个受体STR-44和SRD-28表现尤为突出。

这一结果单独表明，内部状态(饥饿)影响感觉神经元的受体表达程度。McLachlan和他的合著者随后能够证明，STR-44的表达也会根据应激化学物质的存在、各种食物的气味以及蠕虫是否获得了进食的代谢好处而独立地发生变化。由研究生和第二作者Talya Kramer领导的进一步测试揭示了哪种气味会触发STR-44，让研究人员能够证明AWA中STR-44表达的变化是如何直接影响觅食行为的。然而，更多的研究确定了这些不同信号到达AWA的确切分子和电路方式，以及它们如何在细胞内作用以改变STR-44的表达。

例如，在McLachlan和Flavell的团队的一项实验中，当喂食的和饥饿的蠕虫都会蠕动到受体喜欢的气味足够强烈时，只有禁食的蠕虫(表达更多的受体)可以检测到较弱的浓度。在另一项实验中，他们发现饥饿的蠕虫在到达食物来源时会放慢进食速度，而营养充足的蠕虫则会四处游走，他们可以通过人为地过度表达STR-44，使营养充足的蠕虫表现得像禁食的蠕虫一样。这些实验证明，STR-44的表达变化对食物寻求有直接影响。

其他实验显示了多种因素如何推动和拉动STR-44。例如，他们发现，当他们添加一种化学物质来给蠕虫施加压力时，即使在禁食的蠕虫中，STR-44的表达也会下降。后来，他们发现相同的应激源抑制了蠕虫蠕动到STR-44对气味做出反应的冲动。所以，就像你可能会避免跟随自己的鼻子去面包店，即使是在饥饿的时候，如果你看到你的前任在那里，蠕虫在决定是否接近食物时，会权衡压力和饥饿的来源。研究表明，它们这样做是基于这些不同的线索和状态如何推动和拉动AWA中的STR-44表达。

其他几个实验研究了蛔虫神经系统的通路，这些通路将感觉、饥饿和积极的进食信号传递给AWA。技术助理Malvika Dua帮助揭示了其他食物感知神经元如何通过胰岛素信号和突触连接影响AWA中str44的表达。蛔虫是否在积极进食的线索来自肠道中的神经元，这些神经元使用一种名为TORC2的分子营养传感器。这些以及应激检测途径都作用于FOXO, FOXO是一种基因表达调控因子。换句话说，所有影响AWA中STR-44表达的输入都是通过独立地推动和拉动同一分子杠杆来实现的。

Flavell和McLachlan指出，胰岛素和TORC2等途径不仅存在于其他蠕虫的感觉神经元中，还存在于包括人类在内的许多其他动物中。此外，禁食使更多神经元的感觉受体上调，而不仅仅是AWA。Flavell说，这些重叠表明，他们在AWA中发现的整合信息的机制可能在其他神经元甚至其他动物中也在发挥作用。

McLachlan补充说，这项研究的基本见解可以帮助研究通过TORC2的肠道-大脑信号如何在人类中工作。

“这正在成为肠道到大脑信号的主要途径秀丽隐杆线虫我希望它最终对人类健康具有转译的重要性，”McLachlan说。

除了McLachlan、Flavell、Kramer和Dua，该论文的其他作者还有麻省理工学院的Matthew Gomes和Ugur Dag以及伍斯特理工学院的Elizabeth DiLoreto和Jagan Srinivasan。

文章标题

Diverse states and stimuli tune olfactory receptor expression levels to modulate food-seeking behavior