Basit hayvan modeli, davranışı kontrol etmek için çevre ve durumun nasıl bütünleştiğini ortaya koyuyor

Tüm hayvanlar, davranışları formüle ederken çeşitli duyusal ipuçlarını ve içsel durumları tartma zorluğunu paylaşır, ancak bilim adamları bunun gerçekte nasıl gerçekleştiği hakkında çok az şey bilir. Derin içgörü kazanmak için, Picower Öğrenme ve Hafıza Enstitüsü’nde bulunan araştırma ekibi, C. elegans İyi tanımlanmış davranış durumları ve 302 hücreli sinir sistemi, karmaşık sorunu en azından izlenebilir hale getiren solucan. AWA adı verilen çok önemli bir koku alma nöronunda, birçok durum ve duyusal bilgi kaynağının, temel bir koku reseptörünün ifadesini bağımsız olarak kısmak için nasıl birleştiğine dair bir vaka çalışmasıyla ortaya çıktılar. Bu alıcının bolluğu üzerindeki etkilerinin entegrasyonu, daha sonra AWA’nın yiyecek için dolaşmayı nasıl yönlendirdiğini belirler.

MIT Bölümü’nde Lister Brothers Doçenti kıdemli yazar Steven Flavell, “Bu çalışmada, tek bir koku alma nöronundaki tek bir koku alma reseptörünün seviyelerini kontrol eden mekanizmaları, devam eden duruma ve hayvan deneyimlerini uyaranlara dayanarak inceledik” dedi. Beyin ve Bilişsel Bilimler. “Bir hücrede entegrasyonun nasıl gerçekleştiğini anlamak, genel olarak, diğer solucan nöronlarında ve diğer hayvanlarda nasıl olabileceğinin yolunu gösterecektir.”

MIT postdoc Ian McLachlan, 31 Ağustos’ta yayınlanan çalışmayı yönetti. e-hayat. Takımın başladıklarında ne öğreneceklerini bilmediklerini söyledi.

“Hayvanın iç durumlarının duyusal nöronlar düzeyinde gen ifadesi üzerinde böyle bir etkiye sahip olabileceğini bulmak bizi şaşırttı – esasen, açlık ve stres, duyusal nöronların tepkisini değiştirerek hayvanın dış dünyayı nasıl algıladığına dair değişikliklere neden oldu. “dedi. “Ayrıca kemoreseptör ifadesinin yalnızca bir girdiye bağlı olmadığını, aynı zamanda toplam dış ortam, beslenme durumu ve stres seviyelerine bağlı olduğunu görmekten heyecan duyduk. Bu, hayvanların rekabeti nasıl kodladığını düşünmenin yeni bir yolu. beyinlerindeki durumlar ve uyaranlar.”

Gerçekten de McLachlan, Flavell ve ekibi, özellikle AWA nöronunu veya STR-44 olarak adlandırılan spesifik koku alma kemoreseptörünü aramaya gitmediler. Bunun yerine bu hedefler, solucanlar iyi beslendikleri zamana kıyasla üç saat boyunca yiyeceklerden uzak tutulduğunda ifadede en çok hangi genlerin değiştiğine baktıklarında topladıkları tarafsız verilerden ortaya çıktı. Bir kategori olarak, birçok kemosensör reseptörün genleri büyük farklılıklar gösterdi. AWA’nın çok sayıda bu yukarı regüle edilmiş genlere sahip bir nöron olduğu kanıtlandı ve iki reseptör, STR-44 ve SRD-28, bunlar arasında özellikle öne çıktı.

Tek başına bu sonuç, bir iç durumun (açlığın) bir duyu nöronundaki reseptör ifadesinin derecesini etkilediğini gösterdi. McLachlan ve yardımcı yazarları daha sonra STR-44 ifadesinin ayrıca stresli bir kimyasalın mevcudiyetine, çeşitli yemek kokularına ve solucanın yemek yemenin metabolik faydalarını alıp almadığına bağlı olarak bağımsız olarak değiştiğini gösterebildiler. Lisansüstü öğrencisi ve yardımcı yazar Talya Kramer tarafından yürütülen diğer testler, hangi kokuların STR-44’ü tetiklediğini ortaya çıkardı ve araştırmacıların daha sonra AWA içindeki STR-44 ifadesindeki değişikliklerin yiyecek arama davranışını doğrudan nasıl etkilediğini göstermelerine izin verdi. Ve yine daha fazla araştırma, bu değişen sinyallerin AWA’ya ulaştığı kesin moleküler ve devre araçlarını ve STR-44 ifadesini değiştirmek için hücre içinde nasıl hareket ettiklerini tanımladı.

Örneğin, bir deneyde McLachlan ve Flavell’in ekibi, hem tok hem de aç solucanlar, yeterince güçlüyse alıcıların en sevdiği kokulara doğru kıvrılırken, yalnızca aç solucanların (reseptörün daha fazlasını ifade eder) daha zayıf konsantrasyonları algılayabildiğini gösterdi. Başka bir deneyde, aç solucanlar, iyi beslenmiş solucanlar yanından geçerken bile bir besin kaynağına ulaştıklarında yemek için yavaşlarken, STR-44’ü yapay olarak aşırı eksprese ederek iyi beslenmiş solucanların aç kurtlar gibi davranmasını sağlayabileceklerini buldular. Bu tür deneyler, STR-44 ekspresyon değişikliklerinin yiyecek arama üzerinde doğrudan bir etkisi olduğunu göstermiştir.

Diğer deneyler, birden fazla faktörün STR-44’ü nasıl itip çektiğini gösterdi. Örneğin, solucanları strese sokan bir kimyasal eklediklerinde, aç solucanlarda bile STR-44 ifadesinin azaldığını buldular. Daha sonra aynı stres etkeninin solucanların STR-44’ün tepki verdiği kokuya doğru kıvrılma dürtüsünü bastırdığını gösterdiler. Bu nedenle, açken bile burnunuzu fırına götürmekten kaçınmanız gibi, eski sevgilinizi orada görürseniz, solucanlar yiyeceklere yaklaşmaya karar verirken stres kaynaklarını açlıklarına karşı tartarlar. Çalışma, bu farklı işaretlerin ve durumların AWA’da STR-44 ifadesini nasıl itip çektiğine dayanarak bunu yaptıklarını gösteriyor.

Diğer birkaç deney, solucanın sinir sisteminin duyusal, açlık ve aktif yeme ipuçlarını AWA’ya getiren yollarını inceledi. Teknik asistan Malvika Dua, diğer gıda algılayan nöronların, insülin sinyali ve sinaptik bağlantılar yoluyla AWA’da STR-44 ekspresyonunu nasıl etkilediğini ortaya çıkarmaya yardımcı oldu. Solucanın aktif olarak yemek yiyip yemediğine dair ipuçları, TORC2 adı verilen moleküler besin sensörünü kullanan bağırsaktaki nöronlardan AWA’ya gelir. Bunlar ve stresi algılayan yol, gen ekspresyonunun düzenleyicisi olan FOXO’ya etki etti. Başka bir deyişle, AWA’da STR-44 ifadesini etkileyen tüm girdiler, aynı moleküler kolu bağımsız olarak itip çekerek bunu yapıyordu.

Flavell ve McLachlan, insülin ve TORC2 gibi yolların yalnızca diğer solucan duyu nöronlarında değil, aynı zamanda insanlar dahil birçok başka hayvanda da bulunduğunu kaydetti. Dahası, duyusal reseptörler, sadece AWA’dan daha fazla nöronda aç bırakılarak yukarı regüle edildi. Flavell, bu örtüşmelerin, AWA’da bilgiyi entegre etmek için keşfettikleri mekanizmanın muhtemelen diğer nöronlarda ve belki de diğer hayvanlarda oynadığını öne sürüyor.

Ve McLachlan, bu çalışmadan elde edilen temel bilgilerin, TORC2 aracılığıyla bağırsak-beyin sinyalinin insanlarda nasıl çalıştığına dair araştırmaları bilgilendirmeye yardımcı olabileceğini ekledi.

“Bu, bağırsaktan beyne sinyalleşme için önemli bir yol olarak ortaya çıkıyor. C. elegans ve umarım nihayetinde insan sağlığı için çevirisel bir öneme sahip olacaktır, “dedi McLachlan.

McLachlan, Flavell, Kramer ve Dua’ya ek olarak, makalenin diğer yazarları MIT’den Matthew Gomes ve Uğur Dag ve Worcester Politeknik Enstitüsü’nden Elizabeth DiLoreto ve Jagan Srinivasan’dır.

JPB Vakfı, Ulusal Sağlık Enstitüleri, Ulusal Bilim Vakfı, McKnight Vakfı ve Alfred P. Sloan Vakfı, çalışma için fon sağladı.