Fruktflugor - Drosophila melanogaster - har ett komplicerat förhållande till koldioxid. I vissa sammanhang, CO₂ indikerar närvaron av välsmakande matkällor eftersom sockerjäsande jäst i frukt producerar molekylen som en biprodukt. Men i andra fall CO₂ kan vara en varning för att hålla sig borta, vilket signalerar en syrefattig eller överfull miljö med för många andra flugor. Hur skiljer flugor?

Nu avslöjar en ny studie att fruktflugans luktneuroner – de som är ansvariga för att känna av kemiska "lukter" som CO₂ -ha förmågan att prata med varandra genom en tidigare oupptäckt väg. Verket ger insikter i de grundläggande processer genom vilka hjärnceller kommunicerar med varandra och ger också nya ledtrådar för att lösa de långvariga mysterierna om fruktflugor och CO₂ .

Forskningen utfördes i laboratoriet av Elizabeth Hong (BS '02), biträdande professor i neurovetenskap och Chen Scholar vid Tianqiao och Chrissy Chen Institute for Neuroscience vid Caltech. En artikel som beskriver studien finns i tidskriften Current Biology den 6 september.

"CO₂ är en viktig men komplex signal som finns i alla möjliga olika situationer i den naturliga miljön, och den illustrerar en central utmaning som neurobiologer står inför när det gäller att förstå hjärnan:Hur bearbetar hjärnan samma sensoriska signal i olika sammanhang för att djuret ska kunna reagera på lämpligt sätt. ?" säger Hong. "Vi tar itu med den här frågan med hjälp av flugluktsystemet, en av de bäst studerade och välkarakteriserade sensoriska kretsarna. Och fortfarande, med denna forskning, upptäckte vi ett överraskande nytt fenomen i hur hjärnan bearbetar sensoriska signaler."

Lukt, eller luktsinnet, var det ursprungliga sensoriska systemet som utvecklades hos alla djur. Även om människor i första hand är visuella, använder majoriteten av djur lukt som den huvudsakliga metoden för att förstå sina miljöer:sniffa upp mat, undvika rovdjur och hitta kompisar. Fruktflugor är en särskilt hanterbar modell för att förstå de biologiska mekanismerna bakom luktsinnet:en fruktfluga har bara cirka 50 olika luktreceptorer, medan en människa har cirka 400 till 500, och möss har mer än tusen.

En flugas "näsa" är dess två antenner. Dessa antenner är belagda med tunna hårstrån som kallas sensilla, och inuti varje sensillum finns luktneuronerna. Lukter – som CO₂ eller de flyktiga estrarna som produceras av ruttnande frukt – diffunderar in i små porer på sensillan och binder till motsvarande receptorer på luktneuronerna. Neuroner skickar sedan signaler ner i sensillum och in i hjärnan. Även om vi inte har antenner, sker en liknande process i din egen näsa när du lutar dig in för att få en doft av läcker matlagning eller ryggar tillbaka från dålig lukt.

Hos fruktflugor, medan de flesta lukter aktiverar cirka 20 olika typer av sensoriska neuroner samtidigt, CO₂ är ovanligt eftersom det bara aktiverar en enda typ. Med hjälp av en kombination av genetisk analys och funktionell avbildning upptäckte forskare i Hong-laboratoriet att utgångskablarna, eller axonerna, från CO₂ -Känsliga luktneuroner kan faktiskt prata med andra luktneurala kanaler – närmare bestämt nervcellerna som upptäcker estrar, molekyler som luktar särskilt gott för en fruktfluga.

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 signaler. "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. + Utforska vidare

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