蠕蟲在食物草坪上漫游時比生活在里面時產(chǎn)卵更多

對于線蟲來說，它吃的細(xì)菌的大草坪是分散卵的好地方，這樣每一個孵化出來的卵都能進(jìn)入營養(yǎng)環(huán)境。這就是為什么當(dāng)蠕蟲在食物塊上快速漫游時，會有序地產(chǎn)卵。麻省理工學(xué)院皮克爾學(xué)習(xí)和記憶研究所的神經(jīng)科學(xué)家進(jìn)行的一項新研究調(diào)查了這種動作協(xié)調(diào)的一個例子——產(chǎn)卵與動物漫游有關(guān)——并證明了神經(jīng)系統(tǒng)是如何協(xié)調(diào)不同的行為輸出的。這是許多生物在日常生活中面臨的挑戰(zhàn)，盡管方式不同。

科學(xué)家指出，“所有動物都表現(xiàn)出協(xié)調(diào)各種運動項目的出色能力，但人們對大腦中允許這種協(xié)調(diào)的機(jī)制知之甚少?！卑槭±砉W(xué)院大腦李斯特兄弟職業(yè)發(fā)展助理教授史蒂文弗拉維爾在內(nèi)的科學(xué)家指出。認(rèn)知科學(xué)。

這項研究發(fā)表在6月8日的《電子生活》雜志上，來自弗拉維爾實驗室的內(nèi)森瑟馬克(Nathan Cermak)、斯蒂芬妮余(Stephanie Yu)和麗貝卡克拉克(Rebekah Clark)是共同的主要作者。

新的成像平臺

為了研究動物如何協(xié)調(diào)它們的運動，F(xiàn)lavell的團(tuán)隊發(fā)明了一種新的顯微鏡平臺，可以連續(xù)幾個小時或幾天拍攝清晰且高幀率的線蟲視頻。在定制軟件的指導(dǎo)下，示波器自動跟蹤蠕蟲，這樣研究人員就可以收集關(guān)于每種動物行為的信息。該團(tuán)隊還開發(fā)了機(jī)器視覺軟件，從這些視頻中自動提取關(guān)于秀麗隱桿線蟲運動程序的信息——運動、進(jìn)食、產(chǎn)卵等。從而產(chǎn)生每種動物行為輸出的近乎全面的圖像。Flavell表示，該范圍的零件成本約為3000美元，可以使用團(tuán)隊的在線教程在一兩天內(nèi)組裝完成。他們已經(jīng)免費在線發(fā)布了軟件和系統(tǒng)軟件。

通過使用該系統(tǒng)，然后分析數(shù)據(jù)，弗拉維爾的團(tuán)隊第一次能夠識別出涉及多種運動協(xié)調(diào)的各種線蟲行為模式。Flavell說，從系統(tǒng)和后續(xù)分析中獲得的一個洞見是，經(jīng)過深入研究，線蟲(科學(xué)上稱為線蟲)的行為比常規(guī)假設(shè)更加鮮明。例如，發(fā)現(xiàn)先前基于動物停留狀態(tài)定義的稱為“停留”的行為狀態(tài)實際上由許多不同的子狀態(tài)組成，這可以通過這種新的成像方法容易地識別。

多巴胺協(xié)調(diào)行為

然而，從分析中最明顯的新行為模式之一是觀察到蠕蟲在食物草坪上漫游時比生活時產(chǎn)卵更多。這可能使動物能夠在營養(yǎng)豐富的環(huán)境中完全分散卵。之前的工作仔細(xì)定義了兩個運動回路來控制動物的運動和產(chǎn)卵。因此，基于他們的新發(fā)現(xiàn)，弗拉維爾的團(tuán)隊決定研究蠕蟲的神經(jīng)系統(tǒng)是如何運動和產(chǎn)卵的。事實上，這取決于神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺，它在包括人類在內(nèi)的所有動物中都很豐富。

他們首先敲除了各種神經(jīng)遞質(zhì)和其他大腦調(diào)節(jié)分子的基因。其中許多候選者，如血清素，以重要的方式影響了動物的行為，但它們沒有打破漫游和產(chǎn)卵之間的聯(lián)系。直到研究小組敲除了產(chǎn)生多巴胺所需的一種叫做cat-2的基因，這種蠕蟲才停止在漫游時增加產(chǎn)卵量。值得注意的是，它不會影響在家產(chǎn)卵的速度，這說明沒有多巴胺的蠕蟲在其他行為中仍然可以正常產(chǎn)卵。

該團(tuán)隊通過使用光遺傳學(xué)直接控制產(chǎn)生多巴胺的細(xì)胞，進(jìn)一步證實了多巴胺的作用。光遺傳學(xué)是一種通過閃光來開啟或關(guān)閉神經(jīng)元活動的技術(shù)。在這些實驗中，他們了解到，只有當(dāng)動物在漫游時，突然關(guān)閉多巴胺能神經(jīng)元才能減少卵子的產(chǎn)生，但激活這些神經(jīng)元可以驅(qū)動動物開始產(chǎn)卵，即使卵子的速度加快。通常更低。

接下來，研究小組想知道觸發(fā)這種協(xié)調(diào)反應(yīng)的多巴胺何時何地出現(xiàn)。他們設(shè)計了蠕蟲，使其神經(jīng)元在電活動時發(fā)光，這是由鈣離子的激增提供的。從這些閃光中，他們看到一種產(chǎn)生多巴胺的特殊神經(jīng)元PDE在蠕蟲在食物草坪上游蕩時特別活躍，其活性隨著蠕蟲的運動而波動。他們發(fā)現(xiàn)，蠕蟲在采取促進(jìn)產(chǎn)卵的姿勢之前達(dá)到頂峰，但只有當(dāng)蠕蟲沿著細(xì)菌食物源爬行時，它才達(dá)到頂峰。值得注意的是，神經(jīng)元有一種方式來感受蠕蟲在體外的食物——一種叫做纖毛的類似毛發(fā)的小結(jié)構(gòu)。這些研究表明，PDE神經(jīng)元將環(huán)境中食物的存在與蠕蟲自身的運動整合在一起，從而產(chǎn)生一種活動模式，本質(zhì)上報告了蠕蟲在其營養(yǎng)環(huán)境中的發(fā)育速度。這個神經(jīng)元以及可能的其他神經(jīng)元釋放的多巴胺可以將這些信息傳遞給產(chǎn)卵回路，從而協(xié)調(diào)行為。

Flavell的團(tuán)隊還繪制了多巴胺下游的神經(jīng)回路，發(fā)現(xiàn)其功能由D2多巴胺受體D2家族中的兩種受體(dop-2和dop-3)介導(dǎo)。此外，一組使用神經(jīng)遞質(zhì)-氨基丁酸的神經(jīng)元似乎在多巴胺釋放的下游起著關(guān)鍵作用。他們假設(shè)多巴胺的作用可能是向豐富的食物和漫游行為發(fā)出信號，以超過-氨基丁酸對產(chǎn)卵的抑制，從而使這種行為能夠繼續(xù)。

最后，邊漫游邊下蛋只是實驗室選擇分析的運動程序耦合的一個例子。Flavell和合著者指出，還有許多其他方法。

“這項研究讓我們興奮的一點是，在這種新的顯微鏡平臺的幫助下，現(xiàn)在可以很容易地同時測量這種動物產(chǎn)生的每一個主要運動程序。希望我們可以開始考慮它作為動物所產(chǎn)生的所有行為。完整且協(xié)調(diào)的場景，r

研究小組指出，最近開發(fā)的用于全腦鈣成像的技術(shù)為測量包括蠕蟲在內(nèi)的各種動物大腦的神經(jīng)元活動提供了可能性。

為了理解這些全面的神經(jīng)影像數(shù)據(jù)集，重要的是要考慮它們與整個大腦的輸出之間的關(guān)系：動物產(chǎn)生的行為輸出的全部組成部分。”

國家科學(xué)基金會，美國國立衛(wèi)生研究院，JPB基金會和腦與行為研究基金會對此研究提供了支持。