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Nature:神经递质释放的不对称性能帮助果蝇快速的进行气味识别

来源:Nature 2013-01-05 22:03

来自哈佛医学院神经生物学系,哈佛大学Rowland研究院的研究人员发现神经递质释放的不对称性能帮助果蝇快速的进行气味识别 ,并且嗅觉受体神经元ORN激发时间和速率上的细微差异,也会导致嗅觉行为的差异。相关成果公布在12月23日Nature杂志在线版上。

领导这一研究的是哈佛大学医学院神经生物学家Rachel Wilson,这位女科学家曾于2008年与其他三位女科学家包揽了麦克阿瑟奖(麦克阿瑟奖别名“天才奖”,详细见4美女科学家包揽“麦克阿瑟”生物类奖),Wilson主要研究方向为大脑识别不同气味的机制。脊椎动物和无脊椎动物的初级嗅觉神经负责探测气味的大类,另外一些高级的神经元负责精细的气味分类。通过检测果蝇神经元的活性,Wilson希望能找出神经元识别气味和周围环境的机制。

嗅觉是一种重要的感官,也是最神秘的一种感官。2004年诺贝尔生理/医学奖授予了美国科学家理查德·阿克塞尔和琳达·巴克,以表彰两人在气味受体和嗅觉系统组织方式研究中作出的杰出贡献,因为他们的研究增加了人们对“人类感官中最难解开的谜团之一”的理解。

对于昆虫而言,嗅觉十分重要,它们可以通过检测一种气味,比较来自两个触角的信号,从而改变方向。然而果蝇在利用这种策略方面,与昆虫不同,前者主要通过双侧ORN(bilateral ORN projections),ORN也就是嗅觉受体神经元,其在两侧接收到的信号,能传递到大脑的两侧。这种双侧信号比较于单侧信号也许更为有利,但是对于其中具体的偏侧行为,科学家们还不是很清楚。

在这篇文章中,研究人员发现一种不对称的神经递质释放,能帮助果蝇快速的进行气味识别 ,从而根据嗅觉鉴别细微的差别,进行转向等活动。

研究人员发现从同侧轴突分支发出的每个ORN,要比对侧分支上发出的ORN,释放的神经递质要多出百分之四十,这样就会导致当某种气味不对称刺激触角的时候,同侧的中枢神经元就会在对侧神经元发出信号之前几个毫秒,开始发出信号,并且速率也要快上30%至50%。

研究证实,飞行中的果蝇能识别出投射到左边和右边触角叶总ORN中5%的不对称信号,从而能在更短时间内调整方向,避免绕圈浪费时间。

这些结果表明,神经递质释放特征可以独立于,单一神经轴突对两个功能和形态上都相同的靶细胞传递信息所产生的突触,也就是说,神经递质的释放可以与轴突突触不相同。而且这项研究也证明ORN激发时间和速率上的细微差异,也会导致嗅觉行为的差异。(生物谷Bioon.com)

Asymmetric neurotransmitter release enables rapid odour lateralization in Drosophila

Quentin Gaudry, Elizabeth J. Hong, Jamey Kain, Benjamin L. de Bivort & Rachel I. Wilson

In Drosophila, most individual olfactory receptor neurons (ORNs) project bilaterally to both sides of the brain1, 2. Having bilateral rather than unilateral projections may represent a useful redundancy. However, bilateral ORN projections to the brain should also compromise the ability to lateralize odours. Nevertheless, walking or flying Drosophila reportedly turn towards the antenna that is more strongly stimulated by odour3, 4, 5. Here we show that each ORN spike releases approximately 40% more neurotransmitter from the axon branch ipsilateral to the soma than from the contralateral branch. As a result, when an odour activates the antennae asymmetrically, ipsilateral central neurons begin to spike a few milliseconds before contralateral neurons, and at a 30 to 50% higher rate than contralateral neurons. We show that a walking fly can detect a 5% asymmetry in total ORN input to its left and right antennal lobes, and can turn towards the odour in less time than it requires the fly to complete a stride. These results demonstrate that neurotransmitter release properties can be tuned independently at output synapses formed by a single axon onto two target cells with identical functions and morphologies. Our data also show that small differences in spike timing and spike rate can produce reliable differences in olfactory behaviour.

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