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        揭示蚊子識(shí)別人類氣味的神經(jīng)機(jī)制 其嗅覺(jué)腦區(qū)的特定區(qū)域只能被人體氣味激活

        2022-09-22 09:45:42
        海外星云 2022年17期
        關(guān)鍵詞:嗅覺(jué)腦區(qū)課題組

        “我找遍整個(gè)小鎮(zhèn)都沒(méi)有合適的。當(dāng)時(shí)很著急,如果真的找不到,就得等明年。還好我導(dǎo)師的朋友說(shuō),紐約北部森林里乳草還在盛開,那邊氣候比普林斯頓更冷、花期也更晚。我立馬驅(qū)車4個(gè)多小時(shí),一路向北抵達(dá)森林。當(dāng)看到那片盛開的乳草和周圍翩翩起舞的帝王蝴蝶時(shí),幾乎喜極而泣。采完花我立刻返回實(shí)驗(yàn)室,當(dāng)晚通宵把它們的氣味采集固定下來(lái),這才回去睡了個(gè)踏實(shí)覺(jué)?!?/p>

        看完這段話,一般人可能會(huì)想,采花不應(yīng)該是很浪漫,為何這么著急忙慌?對(duì)于科研人員來(lái)說(shuō),采花也可能是“行走的論文”。

        而這些辛苦采集到的花朵,“竟被”用于研究蚊子,進(jìn)而啟發(fā)了一篇《自然》論文。該論文可給人類永恒的痛點(diǎn)——滅蚊帶來(lái)新“神器”。有兩位審稿人認(rèn)為,此次使用的方法不僅頗具開創(chuàng)性,同時(shí)也是理解蚊子嗅覺(jué)的里程碑工作。

        擔(dān)任論文一作兼通訊的北京大學(xué)趙志磊表示:“在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中,有超過(guò)60%的蚊子被它吸引。課題組也因此申請(qǐng)了專利,希望能把這個(gè)混合物應(yīng)用到捕蚊器當(dāng)中,來(lái)吸引誘殺蚊子。另一個(gè)思路是,如果能篩選到一個(gè)化合物來(lái)抑制蚊子對(duì)人類氣味敏感的腦區(qū),那么把它涂到皮膚上,是不是也能起到驅(qū)蚊效果?而這樣的化合物或可作為新型驅(qū)蚊劑來(lái)使用?!?/p>

        他說(shuō),人的氣味很復(fù)雜,可能有上百種化學(xué)分子混合其中。但是,此次研究發(fā)現(xiàn)在蚊子大腦中的初級(jí)嗅覺(jué)腦區(qū),只有兩個(gè)區(qū)域被激活。這意味著人們或能使用很簡(jiǎn)單的混合物,來(lái)模擬人體氣味去吸引蚊子。

        該研究發(fā)現(xiàn),用正己醇和癸醛這兩種氣味分子以恰當(dāng)?shù)谋壤旌?,可以很好地模擬人的氣味,從而刺激蚊子大腦的激活模式。同時(shí),這個(gè)雙組分的混合物對(duì)蚊子有很強(qiáng)的吸引力。

        蚊子,在日常生活中隨處可見,不僅煩人而且還會(huì)很危險(xiǎn),它們會(huì)給人類傳播瘧疾、登革熱等的致命疾病。在演化過(guò)程中,一些蚊子物種變成專門從人身上吸血,這類蚊子最為可怕,因?yàn)樗鼈兘o人傳播疾病的效率非常高。

        很早之前人們就知道,蚊子主要依靠氣味來(lái)尋找宿主,所以這些專門咬人的蚊子,特別喜歡人的氣味。但是,它們?nèi)绾巫龅綔?zhǔn)確區(qū)分人和動(dòng)物的氣味的?這一直是個(gè)未解之謎。因此,該問(wèn)題不僅是一個(gè)很有趣的基礎(chǔ)研究問(wèn)題,對(duì)于公共衛(wèi)生領(lǐng)域也很重要。

        事實(shí)上,此問(wèn)題一直有被研究,但是長(zhǎng)期未出現(xiàn)大突破。因?yàn)椋米邮欠悄J缴?,可被使用的研究工具很局限。而為了回答該團(tuán)隊(duì)想解決的科學(xué)問(wèn)題,首先要攻克技術(shù)障礙,開發(fā)出能讓人深入研究蚊子的工具。

        課程結(jié)束后,各教師根據(jù)學(xué)生上課表現(xiàn)進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)。對(duì)照組成績(jī)?yōu)椋?6.00±5.12)分,試驗(yàn)組成績(jī)?yōu)椋?5.92±5.33)分,兩組比較,差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=0.085,P=0.699)。

        其中,最關(guān)鍵的是遺傳學(xué)工具,它能讓研究人員特異性地標(biāo)記蚊子的大腦,從而記錄到蚊子的神經(jīng)活動(dòng)。然而,基因編輯技術(shù)在蚊子中還不夠成熟,效率也很低,所以需要篩選大量蚊子,才能制造出正確的轉(zhuǎn)基因品系。

        為此,實(shí)驗(yàn)室耗時(shí)五年左右,才陸續(xù)取得進(jìn)展,并制造出相關(guān)的遺傳學(xué)工具。類似的技術(shù)問(wèn)題還有很多,例如雙光子鈣成像在蚊子中的使用、宿主氣味的收集和刺激等。

        “所以如果看我們發(fā)表的論文,方法那一部分特別地長(zhǎng)。而我們開發(fā)的這些工具和方法,不僅可以應(yīng)用于蚊子的研究,還可以更廣泛地用來(lái)研究其他動(dòng)物的嗅覺(jué)?!壁w志磊說(shuō)。

        有了這些新工具,就能深入研究蚊子的大腦,對(duì)它們的嗅覺(jué)行為獲得全新的理解。具體來(lái)說(shuō),他們給蚊子做了“開顱手術(shù)”,然后用人和動(dòng)物的氣味來(lái)刺激它的觸角,這樣就能在顯微鏡下觀察它的大腦活動(dòng)。

        期間,課題組驚奇地發(fā)現(xiàn),蚊子的嗅覺(jué)腦區(qū)中有一個(gè)特定的區(qū)域,只能被人的氣味激活,對(duì)其他動(dòng)物的氣味幾乎沒(méi)有反應(yīng)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),這個(gè)腦區(qū)會(huì)特異性地探測(cè)人氣味中的一種化學(xué)分子——癸醛,這種分子在人的氣味中特別多,在動(dòng)物的氣味中很少。至此,研究結(jié)論開始明晰起來(lái):蚊子能準(zhǔn)確地區(qū)分人和動(dòng)物的氣味,很有可能是通過(guò)檢測(cè)癸醛含量的多少。

        近日,相關(guān)論文以《蚊子大腦編碼人類氣味的獨(dú)特特征以驅(qū)動(dòng)宿主尋找》為題,發(fā)表在《自然》上。趙志磊擔(dān)任第一作者和通訊作者,普林斯頓大學(xué)生態(tài)與進(jìn)化生物學(xué)系教授卡羅琳·麥克布賴德?lián)喂餐ㄓ嵶髡摺?/p>

        01 “頭晚下暴雨,校園里的乳草一夜之間都謝了”

        實(shí)驗(yàn)顯示圖

        2016年,是趙志磊在普林斯頓大學(xué)讀博的第二年,他當(dāng)時(shí)啟動(dòng)了這項(xiàng)研究。主要挑戰(zhàn)在于如何實(shí)現(xiàn)技術(shù)上突破,例如基因編輯、鈣成像等新技術(shù)。

        因此,前期有兩三年都是在做“基建”,即給蚊子開發(fā)基礎(chǔ)的遺傳學(xué)工具。拿到想要的轉(zhuǎn)基因蚊子品系后,便開始探索如何在顯微鏡下觀察它們的大腦活動(dòng)。

        當(dāng)時(shí)的方法都不夠適合,研究一度陷入瓶頸。直到有一次,課題組偶然從一些化學(xué)家那里了解到一種特殊的方法熱解吸,他們才意識(shí)到也許能應(yīng)用到蚊子研究中,遂開始測(cè)試這一方法。

        實(shí)驗(yàn)顯示圖

        直到2019年末,課題組才克服掉所有方法學(xué)上的障礙,正式進(jìn)行蚊子大腦的成像實(shí)驗(yàn)。而在第一個(gè)正式實(shí)驗(yàn)里,他們就斬獲驚喜,發(fā)現(xiàn)了那個(gè)只被人的氣味激活的腦區(qū)。而后,則是通過(guò)更嚴(yán)謹(jǐn)詳細(xì)的探索來(lái)證明此次發(fā)現(xiàn)。

        蚊子平常以花蜜為食,所以也會(huì)被花的氣味所吸引。因此在實(shí)驗(yàn)中,需要采集花的氣味。該團(tuán)隊(duì)選定了乳草作為采集對(duì)象,因?yàn)榘<耙廖煤芟矚g它的花蜜,同時(shí)在普林斯頓的校園里也很常見。

        一般在正式實(shí)驗(yàn)之前都需要做預(yù)實(shí)驗(yàn)來(lái)優(yōu)化條件。初夏乳草花盛開的時(shí)候,趙志磊開始做預(yù)實(shí)驗(yàn),開始進(jìn)展都還不錯(cuò)。但是,等把條件都摸清楚后,他們決定做正式實(shí)驗(yàn)時(shí)前一天天晚上下了一場(chǎng)暴雨,校園里的乳草幾乎是一夜之間都謝了,于是便有了文章開頭的驅(qū)車采花。

        02 “正好趕上饒毅院長(zhǎng)做改革”

        而在科研中,一個(gè)問(wèn)題的解答往往會(huì)引出更多的問(wèn)題。該研究亦是如此。課題組發(fā)現(xiàn)蚊子大腦中有一個(gè)區(qū)域是探測(cè)人的氣味中的癸醛,但他們并不知道是什么基因編碼了這個(gè)嗅覺(jué)受體。

        如果找到了這個(gè)基因并把它突變掉,那么這些專門叮人的蚊子是不是就不再喜歡人的氣味了?

        同時(shí),該團(tuán)隊(duì)研究的是蚊子的初級(jí)嗅覺(jué)腦區(qū),而蚊子感受到的嗅覺(jué)信息還得經(jīng)過(guò)高級(jí)嗅覺(jué)腦區(qū)的進(jìn)一步處理,才能轉(zhuǎn)化為行為。

        所以,在后續(xù)的計(jì)劃清單里,有一項(xiàng)便是要研究蚊子大腦中的高級(jí)嗅覺(jué)腦區(qū)對(duì)人和動(dòng)物氣味的感知。另外,并不是所有的蚊子都專門叮人,甚至以此次研究的埃及伊蚊為例,最早也是既叮人又叮動(dòng)物的,只是在演化的過(guò)程中慢慢變成“咬人專業(yè)戶”。

        因此,接下來(lái)一個(gè)很有趣的項(xiàng)目就是比較這些專門叮人的和既叮人又叮動(dòng)物的兩類蚊子,看看它們的大腦、尤其是嗅覺(jué)腦區(qū)有何差別。

        據(jù)悉,趙志磊是云南省大理人。目前在美國(guó)康奈爾大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)和行為學(xué)系做博士后,專注于研究鳥類的社會(huì)行為和大腦機(jī)制。其本科就讀于北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,2014年獲得學(xué)士學(xué)位。

        他說(shuō):“當(dāng)時(shí)正好趕上饒毅院長(zhǎng)對(duì)本科生的教學(xué)和科研做改革,給予我們很大的選課自由,同時(shí)鼓勵(lì)我們?cè)邕M(jìn)實(shí)驗(yàn)室接觸科學(xué)研究。所以,我從很早就熟悉做科研的大致過(guò)程,同時(shí)慢慢發(fā)現(xiàn)自己很喜歡做科研。而我本科畢業(yè)論文研究的是果蠅的基因組和演化?!?/p>

        2015年秋,趙志磊來(lái)到美國(guó)普林斯頓大學(xué)生態(tài)演化系讀博,期間負(fù)責(zé)神經(jīng)生物學(xué)和演化生物學(xué)的交叉研究,即主要研究大腦和行為的進(jìn)化,算是很獨(dú)特的一個(gè)領(lǐng)域。

        而這種獨(dú)特的交叉研究,又啟發(fā)了趙志磊的科學(xué)思維塑造。這讓他能從不同角度來(lái)思考同一問(wèn)題,而不必局限于某個(gè)特定領(lǐng)域。目前,其博士后研究也承襲了這一思路。

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