2021年1月19日

一种激励的神经元鸡尾酒

国家生物科学中心

“千里之行始于足下”是一句流行的谚语，指的是开始一项任务所需的初始推力。然而，一旦开始，我们如何坚持下去，不让它像新年决心一样失败呢?我们如何保持动力?

这些不仅仅是哲学上的讨论，也是神经科学爱好者们引人注目的科学项目。事实上，科学家们一直在寻找控制动机的根源——神经元和分子。

这里有一个来自慷慨的果蝇的研究故事，它确定了果蝇无休止的飞行追求背后的机制。

盖提·哈桑(Gaiti Hasan)教授的团队在最近的一项研究中发现，苍蝇维持长时间飞行的能力是由大量的钙在大脑中产生“快乐”化学信使多巴胺的特定神经元中。在这种神经活动的最前沿是一种被称为IP3受体(IP3R)的钙通道蛋白，它在这些多巴胺能神经元中协调钙的涌出。有趣的是，他们发现，除了调节长途飞行，同一群神经元和分子还激励饥饿的苍蝇积极寻找食物。研究小组假设，有一个单一的神经元框架来调节这两种关键行为，可以帮助苍蝇穿越更远的距离寻找食物。

“飞行是苍蝇天生的行为。尽管控制飞行员飞行行为的神经电路是硬连线的，我们在这里表明它仍然需要细胞钙的微调——特别是由IP3R动员的钙。这种调节确保了果蝇的内部代谢状态和对外部线索的反应是平衡的，”Gaiti解释说，他的实验室已经与果蝇的IP3R研究了好几年。

IP3R滞留在细胞的工业高速公路-内质网内。它通过打开钙通道将细胞外的信息转化为细胞内的反应。这些钙尖刺使神经元从沉默状态转向活跃状态，进而驱动行为。

在苍蝇中，IP3R调节的最显著的行为是飞行的维持。这为探索持续飞行背后的生物学提供了一个很好的机会——飞行是一种很可能需要动力的运动行为。因此，研究人员决定追踪需要IP3R功能进行飞行的细胞，并找出它们是如何做到这一点的。

为了寻找这些答案，Anamika(研究生和第一作者)设计了IP3受体的功能脆弱版本(IP3RDN)，它可以覆盖正常副本(IP3R)的活性。当引入果蝇的神经元时，这种蛋白质的遗传变异显著抑制了钙的反应。在行为层面，当IP3RDN只在苍蝇大脑的几个神经元中表达时，苍蝇面临巨大的飞行劣势;它们的飞行时间骤降至不含ip3rdn的野生型兄弟姐妹的三分之一。

这些神经元的神经元特征是什么?

Anamika利用果蝇的一系列遗传工具，发现两对产生多巴胺的神经元控制着这种持续的飞行——这只是苍蝇大脑中25000多个神经元中的4个!

在解决了“在哪里”这一难题后，该团队继续整合“如何”这一难题。为此，Anamika使用了成像技术，利用蛋白质传感器来反映神经元活动。她注意到，由于IP3R在钙信号传递中的核心作用，它还控制着神经递质释放——神经元激活和交流的标志。

但这个故事有一个很好的转折点。

“在我们发现一组通过IP3受体调节飞行的神经元期间，一项研究表明，饥饿的苍蝇寻求食物的行为也需要这些神经元。但这些神经元中的IP3R是否也控制着觅食行为?”Anamika问道。

为了找到答案，她选取了在飞行调节中表达IP3RDN的苍蝇多巴胺神经元让他们饿了几个小时。然后，她让它们进入一个装有一滴它们最喜欢的食物的房间，并仔细观察它们。但这些饥饿的苍蝇没有表现出觅食的热情，这证实了IP3R也在控制觅食行为。