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罗冬根研究组发现机械感知控制进食行为的神经机制

 

        2019522日,北京大学定量生物学中心、生命科学学院、IDG麦戈文脑研究所、生命科学联合中心罗冬根研究组在Science Advances发表题为Mechanosensory circuits coordinate two opposing motor actions in Drosophila feeding的研究论文,发现嘴部机械感知控制两种相反进食行为,并从感受器蛋白分子、神经环路和整体动物行为多层次系统地解析了其神经机制。

进食对动物的生存和繁衍至关重要。研究表明,味觉感知调控进食的神经机制在果蝇和哺乳动物中高度保守。机械感知在听觉、触觉和平衡感觉中起着关键作用。然而,机械感知(食物物理信息)在进食中的作用尚不清楚。

研究组发展了果蝇机械感受神经元的单细胞膜片钳记录方法(解决了领域内长久以来的技术障碍),利用此技术系统研究了嘴部感觉神经元,鉴定了位于唇瓣内、外侧的机械感受神经元,发现它们都使用了同一种机械受体蛋白NOMPC对机械力产生神经电反应。光遗传特异激活这些机械感受神经元后,果蝇产生了两种进食行为:唇瓣外侧机械感受神经元的激活引起唇瓣打开,而唇瓣内侧机械感受神经元的激活引起嘴部缩回而终止进食。这些结果提示,嘴部机械感受神经元可通过NOMPC在时序上的先后激活控制两个相反进食行为,即唇瓣外侧机械感受神经元的激活提供食物存在/位置的信息而促进进食,唇瓣内侧机械感受神经元的激活提供食物硬度的信息而终止进食。

为了重构出控制这两种进食行为的神经环路,研究组发展了一种保留完整嘴部结构的离体大脑标本。利用膜片钳记录、神经元追踪技术和光遗传等方法,研究组在脑中找到了唇瓣机械感受神经元下游的两类运动神经元,发现它们和机械感受神经元间通过单突触连接形成两条不同的进食环路。此外,苦味信号可调节这两种进食行为:拮抗机械刺激引起的唇瓣打开,但促进机械刺激引起的口器缩回;这两种相反的苦味调节作用最终都引起进食的终止,从而保护个体免受有毒害的苦味食物的伤害。

嘴部机械感知控制两种相反进食行为

该研究揭示了嘴部机械感知通过同一机械受体蛋白在时序上的先后激活来控制两种相反进食行为的神经机制(如图所示),为理解哺乳动物的进食机制提供新思路。此外,该研究还在突触水平上解析了进食环路对机械和味觉信息的整合机制,为研究多模态感知及行为的整合提供了一种范式。

罗冬根研究员为本文的通讯作者;博士生周瑶(13CLS)和曹丽慧博士为该文的共同第一作者;博士生隋秀文(16级定量生物学中心)和郭晓晴(17级生科院)为本文做出重要贡献。生科院电镜平台提供了技术支持。工作获得国家自然基金委、膜国家重点实验室和生命科学联合中心的支持。