Fruitvliegjes - Drosophila melanogaster - hebben een gecompliceerde relatie met kooldioxide. In sommige contexten, CO₂ wijst op de aanwezigheid van smakelijke voedselbronnen, aangezien suikergistende gist in fruit het molecuul als bijproduct produceert. Maar in andere gevallen, CO₂ kan een waarschuwing zijn om weg te blijven, wat duidt op een zuurstofarme of overvolle omgeving met te veel andere vliegen. Hoe zien vliegen het verschil?

Nu onthult een nieuwe studie dat olfactorische neuronen van fruitvliegen - die verantwoordelijk zijn voor het waarnemen van chemische "geuren" zoals CO₂ -het vermogen hebben om met elkaar te praten via een voorheen onontdekt pad. Het werk geeft inzicht in de fundamentele processen waarmee hersencellen met elkaar communiceren en geeft ook nieuwe aanwijzingen voor het oplossen van de al lang bestaande mysteries over fruitvliegen en CO₂ .

Het onderzoek werd uitgevoerd in het laboratorium van Elizabeth Hong (BS '02), assistent-professor neurowetenschappen en Chen Scholar van het Tianqiao en Chrissy Chen Institute for Neuroscience bij Caltech. Een paper waarin de studie wordt beschreven, verschijnt in het tijdschrift Current Biology op 6 september

"CO₂ is een belangrijk maar complex signaal dat wordt aangetroffen in allerlei verschillende situaties in de natuurlijke omgeving, en het illustreert een kernuitdaging waarmee neurobiologen worden geconfronteerd bij het begrijpen van de hersenen:hoe verwerken de hersenen hetzelfde sensorische signaal in verschillende contexten zodat het dier op de juiste manier kan reageren ", zegt Hong. "We pakken deze vraag aan met behulp van het vliegen-olfactorische systeem, een van de best bestudeerde en goed gekarakteriseerde sensorische circuits. En toch, met dit onderzoek ontdekten we een verrassend nieuw fenomeen in de manier waarop de hersenen sensorische signalen verwerken."

Reukzin, of de reukzin, was het oorspronkelijke sensorische systeem dat zich bij alle dieren ontwikkelde. Hoewel mensen voornamelijk visueel zijn, gebruiken de meeste dieren reukzin als de belangrijkste methode om hun omgeving te begrijpen:voedsel opsnuiven, roofdieren vermijden en partners vinden. Fruitvliegen zijn een bijzonder hanteerbaar model voor het begrijpen van de biologische mechanismen die ten grondslag liggen aan de reukzin:een fruitvlieg heeft slechts ongeveer 50 verschillende geurreceptoren, terwijl een mens er ongeveer 400 tot 500 heeft en muizen meer dan duizend.

De "neus" van een vlieg is zijn twee antennes. Deze antennes zijn bedekt met dunne haren die sensilla worden genoemd, en aan de binnenkant van elk sensillum bevinden zich de reukneuronen. Geuren, zoals CO₂ of de vluchtige esters die worden geproduceerd door rottend fruit - diffunderen in kleine poriën op de sensilla en binden aan overeenkomstige receptoren op de reukneuronen. Neuronen sturen vervolgens signalen door het sensillum naar de hersenen. Hoewel we geen antennes hebben, gebeurt er een analoog proces in je eigen neus wanneer je naar voren leunt om een ​​vleugje heerlijk koken op te vangen of terugdeinst voor slechte geuren.

Bij fruitvliegen, terwijl de meeste geuren ongeveer 20 verschillende soorten sensorische neuronen tegelijk activeren, CO₂ is ongebruikelijk omdat het slechts een enkel type activeert. Met behulp van een combinatie van genetische analyse en functionele beeldvorming ontdekten onderzoekers in het Hong-laboratorium dat de uitgangskabels, of axonen, van de CO₂ -gevoelige olfactorische neuronen kunnen in feite praten met andere olfactorische neurale kanalen, met name de neuronen die esters detecteren, moleculen die bijzonder lekker ruiken voor een fruitvlieg.

However, this olfactory crosstalk depends on the timing of CO₂ cues. When CO₂ is detected in fluctuating pulses, such as a wind-borne cue from a distant food source, the CO₂ -sensing olfactory channel sends a message to the channels encoding esters, signaling to the brain that delicious food is upwind. However, if CO₂ is continually elevated in the local environment, for instance from a rotting log, this crosstalk is quickly shutoff, and the CO₂ -sensitive neurons signal directly to the brain to avoid the source.

This is the first time that olfactory neurons have been shown to talk to one another between their axons, processing incoming information before these signals ever reach the brain. The results cut against the prevailing dogma in neuroscience that information processing is limited to the integration of inputs by neurons; the new findings show that signals are reformatted at the output end as well.

The scientists also discovered that how flies behave toward CO₂ also depends on the timing of CO₂ signals. "We found that the behavior of the animal is affected by the temporal structure of the CO₂ signal," says Hong. "When the fly walks into a cloud of elevated CO₂ , it tends to turn away from the direction it was traveling. But in an environment where CO₂ is pulsing, the fly will run upwind toward the source of the odor. This difference in how flies behave toward fluctuating CO₂ , versus sustained CO₂ , parallels the dependence of the crosstalk from the CO₂ -sensing neurons to attraction-promoting food-sensing neurons."

Understanding fruit fly olfaction, particularly with respect to sensing CO₂ , is a long-standing goal for Caltech researchers. Decades ago, researchers in the laboratory of David Anderson— Seymour Benzer Professor of Biology; Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience Leadership Chair; Investigator, Howard Hughes Medical Institute; director, Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience—discovered that flies avoid CO₂ as a chemical indicating an overcrowded environment. But recently, researchers in the lab of Michael Dickinson—Esther M. and Abe M. Zarem Professor of Bioengineering and Aeronautics and executive officer for Biology and Biological Engineering—discovered that flies can also be attracted to CO₂ , when using it to sniff out a source of food.

"Our work builds on these prior studies and provides one possible neural solution for how CO₂ could be triggering opposing behaviors in flies in varying contexts. It has been a highlight of having my lab at Caltech to have the opportunity to directly interact with David's and Michael's labs and discuss the connections between our work and theirs," says Hong.

The next major question is to understand how these parallel olfactory axons are talking to one another. The team ruled out most forms of classical chemical transmission that neurons use to communicate, and the mechanisms by which olfactory neurons are able to send and receive messages between their axons are mysterious. Solving this problem may provide new insights into how animal brains detect and process sensory information. + Verder verkennen

Mosquitoes have neuronal fail-safes to make sure they can always smell humans