蠕蟲在食物草坪上漫游時(shí)比生活在里面時(shí)產(chǎn)卵更多

對(duì)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(gè)孵化出來的卵都能進(jìn)入營(yíng)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(shí)，會(huì)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(xiàng)新研究調(diào)查了這種動(dòng)作協(xié)調(diào)的一個(gè)例子——產(chǎn)卵與動(dòng)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(dòng)物都表現(xiàn)出協(xié)調(diào)各種運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的出色能力，但人們對(duì)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(xiàng)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(shí)驗(yàn)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(tái)

為了研究動(dòng)物如何協(xié)調(diào)它們的運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)lavell的團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種新的顯微鏡平臺(tái)，可以連續(xù)幾個(gè)小時(shí)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(dòng)跟蹤蠕蟲，這樣研究人員就可以收集關(guān)于每種動(dòng)物行為的信息。該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了機(jī)器視覺軟件，從這些視頻中自動(dòng)提取關(guān)于秀麗隱桿線蟲運(yùn)動(dòng)程序的信息——運(yùn)動(dòng)、進(jìn)食、產(chǎn)卵等。從而產(chǎn)生每種動(dòng)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(duì)的在線教程在一兩天內(nèi)組裝完成。他們已經(jīng)免費(fèi)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(duì)第一次能夠識(shí)別出涉及多種運(yùn)動(dòng)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(gè)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(dòng)物停留狀態(tài)定義的稱為“停留”的行為狀態(tài)實(shí)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(shí)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(shí)比生活時(shí)產(chǎn)卵更多。這可能使動(dòng)物能夠在營(yíng)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(gè)運(yùn)動(dòng)回路來控制動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)和產(chǎn)卵。因此，基于他們的新發(fā)現(xiàn)，弗拉維爾的團(tuán)隊(duì)決定研究蠕蟲的神經(jīng)系統(tǒng)是如何運(yùn)動(dòng)和產(chǎn)卵的。事實(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)增加產(chǎn)卵量。值得注意的是，它不會(huì)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(duì)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(shí)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(dòng)的技術(shù)。在這些實(shí)驗(yàn)中，他們了解到，只有當(dāng)動(dòng)物在漫游時(shí)，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(dòng)動(dòng)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(shí)何地出現(xiàn)。他們?cè)O(shè)計(jì)了蠕蟲，使其神經(jīng)元在電活動(dòng)時(shí)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(shí)特別活躍，其活性隨著蠕蟲的運(yùn)動(dòng)而波動(dòng)。他們發(fā)現(xiàn)，蠕蟲在采取促進(jìn)產(chǎn)卵的姿勢(shì)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(shí)，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(yùn)動(dòng)整合在一起，從而產(chǎn)生一種活動(dòng)模式，本質(zhì)上報(bào)告了蠕蟲在其營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中的發(fā)育速度。這個(gè)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(duì)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(hào)，以超過-氨基丁酸對(duì)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(shí)驗(yàn)室選擇分析的運(yùn)動(dòng)程序耦合的一個(gè)例子。Flavell和合著者指出，還有許多其他方法。

“這項(xiàng)研究讓我們興奮的一點(diǎn)是，在這種新的顯微鏡平臺(tái)的幫助下，現(xiàn)在可以很容易地同時(shí)測(cè)量這種動(dòng)物產(chǎn)生的每一個(gè)主要運(yùn)動(dòng)程序。希望我們可以開始考慮它作為動(dòng)物所產(chǎn)生的所有行為。完整且協(xié)調(diào)的場(chǎng)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(cè)量包括蠕蟲在內(nèi)的各種動(dòng)物大腦的神經(jīng)元活動(dòng)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(gè)大腦的輸出之間的關(guān)系：動(dòng)物產(chǎn)生的行為輸出的全部組成部分。”

國(guó)家科學(xué)基金會(huì)，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院，JPB基金會(huì)和腦與行為研究基金會(huì)對(duì)此研究提供了支持。