Science Advances | 羅冬根研究組發(fā)現(xiàn)機(jī)械感知控制進(jìn)食行為的神經(jīng)機(jī)制
2019年5月22日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、IDG麥戈文腦研究所、定量生物學(xué)中心、生命科學(xué)聯(lián)合中心羅冬根研究組在Science Advances發(fā)表題為“Mechanosensory circuits coordinate two opposing motor actions inDrosophilafeeding”的研究論文，發(fā)現(xiàn)嘴部機(jī)械感知控制兩種相反進(jìn)食行為，并從感受器蛋白分子、神經(jīng)環(huán)路和整體動(dòng)物行為多層次系統(tǒng)地解析了其神經(jīng)機(jī)制。
進(jìn)食對(duì)動(dòng)物的生存和繁衍至關(guān)重要。研究表明，味覺感知調(diào)控進(jìn)食的神經(jīng)機(jī)制在果蠅和哺乳動(dòng)物中高度保守。機(jī)械感知在聽覺、觸覺和平衡感覺中起著關(guān)鍵作用。然而，機(jī)械感知（食物物理信息）在進(jìn)食中的作用尚不清楚。
研究組發(fā)展了果蠅機(jī)械感受神經(jīng)元的單細(xì)胞膜片鉗記錄方法（解決了領(lǐng)域內(nèi)長(zhǎng)久以來的技術(shù)障礙），利用此技術(shù)系統(tǒng)研究了嘴部感覺神經(jīng)元，鑒定了位于唇瓣內(nèi)、外側(cè)的機(jī)械感受神經(jīng)元，發(fā)現(xiàn)它們都使用了同一種機(jī)械受體蛋白NOMPC對(duì)機(jī)械力產(chǎn)生神經(jīng)電反應(yīng)。光遺傳特異激活這些機(jī)械感受神經(jīng)元后，果蠅產(chǎn)生了兩種進(jìn)食行為：唇瓣外側(cè)機(jī)械感受神經(jīng)元的激活引起唇瓣打開，而唇瓣內(nèi)側(cè)機(jī)械感受神經(jīng)元的激活引起嘴部縮回而終止進(jìn)食。這些結(jié)果提示，嘴部機(jī)械感受神經(jīng)元可通過NOMPC在時(shí)序上的先后激活控制兩個(gè)相反進(jìn)食行為，即唇瓣外側(cè)機(jī)械感受神經(jīng)元的激活提供食物存在/位置的信息而促進(jìn)進(jìn)食，唇瓣內(nèi)側(cè)機(jī)械感受神經(jīng)元的激活提供食物硬度的信息而終止進(jìn)食。
為了重構(gòu)出控制這兩種進(jìn)食行為的神經(jīng)環(huán)路，研究組發(fā)展了一種保留完整嘴部結(jié)構(gòu)的離體大腦標(biāo)本。利用膜片鉗記錄、神經(jīng)元追蹤技術(shù)和光遺傳等方法，研究組在腦中找到了唇瓣機(jī)械感受神經(jīng)元下游的兩類運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，發(fā)現(xiàn)它們和機(jī)械感受神經(jīng)元間通過單突觸連接形成兩條不同的進(jìn)食環(huán)路。此外，苦味信號(hào)可調(diào)節(jié)這兩種進(jìn)食行為：拮抗機(jī)械刺激引起的唇瓣打開，但促進(jìn)機(jī)械刺激引起的口器縮回；這兩種相反的苦味調(diào)節(jié)作用最終都引起進(jìn)食的終止，從而保護(hù)個(gè)體免受有毒害的苦味食物的傷害。
該研究揭示了嘴部機(jī)械感知通過同一機(jī)械受體蛋白在時(shí)序上的先后激活來控制兩種相反進(jìn)食行為的神經(jīng)機(jī)制（如圖所示），為理解哺乳動(dòng)物的進(jìn)食機(jī)制提供新思路。此外，該研究還在突觸水平上解析了進(jìn)食環(huán)路對(duì)機(jī)械和味覺信息的整合機(jī)制，為研究多模態(tài)感知及行為的整合提供了一種范式。
羅冬根研究員為本文的通訊作者；博士生周瑤（13級(jí)CLS）和曹麗慧博士為該文的共同第一作者；博士生隋秀文（16級(jí)定量生物學(xué)中心）和郭曉晴（17級(jí)生科院）為本文做出重要貢獻(xiàn)。生科院電鏡平臺(tái)提供了技術(shù)支持。工作獲得國家自然基金委、膜國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和生命科學(xué)聯(lián)合中心的支持。
原文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/5/5/eaaw5141
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