Прямая линия в мозге для избегания гнилой пищи — сигнал СТОП для Drosophila

Потребление гнилой пищи может быть смертельно, так как позволяет бактериальным патогенам проникнуть в пищеварительную систему. Обнаружение признаков разложения, позволяющее нам и другим животным избежать такого пищевого отравления, — одна из основных задач обоняния. Учёные из Института химической экологии Макса Планка впервые расшифровали нейронные механизмы, лежащие в основе рефлекса избегания у плодовых мушек (Drosophila), который активируется, чтобы избежать питания и откладки яиц в пищу, заражённую токсичными микроорганизмами.

Сверхчувствительная выделенная нейронная линия

Сверхчувствительная и полностью выделенная нейронная линия — от обонятельного рецептора через сенсорный нейрон к первичным нейронам мозга — активируется при появлении в воздухе малейшего количества геосмина. Геосмин — это вещество, выделяемое бактериями и плесневыми грибами, токсичными для мухи.

• Этот стимул подавляет все другие сигналы запаха пищи, независимо от их привлекательности.
• Следовательно, геосмин является полным сигналом СТОП, который предотвращает питание и откладку яиц в токсичной пище.

Модельный объект и эксперименты

Исследование проводилось на плодовой мушке Drosophila melanogaster, которая питается дрожжами на гниющих фруктах и должна отличать «хорошие» микробы от «плохих».

Электрофизиологические эксперименты показали:

• На антенне мухи только один тип нейронов, помеченный как «ab4B», реагирует на геосмин.
• Эти нейроны несут специфический рецептор Or56a, который реагирует исключительно на геосмин (проверено на более чем 3000 запахов).

Оптическая визуализация мозга выявила:

• Из примерно 50 гломерул, составляющих антеннальную долю (обонятельный центр), только одна, помеченная DA2, активируется геосмином.
• Стимуляция DA2 приводит к активации единственного типа проекционного нейрона (PN), передающего сигнал о наличии геосмина в высшие области мозга.
• В этой цепи стимул напрямую передаётся от антенны к поведению, без каких-либо обходных путей. Ранее такие паттерны наблюдались только в ответ на половые феромоны.

Подтверждение поведенческими тестами

Эксперименты с системой «Flywalk» подтвердили лабораторные измерения:

• Стимул геосмина заставляет мух остановиться или отдалиться от источника запаха.
• Он подавляет все одновременно предлагаемые высоко привлекательные запахи (уксус, фруктовые ароматы) даже при минимальных концентрациях.
• Реакция на геосмин настолько сильна, что регулирует поведение откладки яиц: самки Drosophila строго избегали откладывать яйца на среды с геосмин-продуцирующей бактерией Streptomyces coelicolor. На мутантном штамме Streptomyces, не способном производить геосмин, мухи откладывали яйца, и личинки погибали.

Вывод: Геосмин является достаточным и необходимым сигналом для запуска поведения избегания.