中国科学家揭示蚊子识别气味的神经机制,嗅觉只能被人体气味激活

 2022-07-11 06:40:03    33  

中国科学家揭示蚊子识别气味的神经机制,嗅觉只能被人体气味激活

“我找遍整个小镇都没有合适的。当时很着急,如果真的找不到,就得等明年。还好我导师的朋友说,纽约北部森林里乳草还在盛开,那边气候比普林斯顿更冷、花期也更晚。我立马驱车四个多小时,一路向北抵达森林。当看到那片盛开的乳草和周围翩翩起舞的帝王蝴蝶时,几乎喜极而泣。采完花我立刻返回实验室,当晚通宵把它们的气味采集固定下来,这才回去睡了个踏实觉。”

看完这段话,一般人可能会想,采花不应该是很浪漫,为何这么着急忙慌?对于科研人员来说,采花也可能是“行走的论文”。

而这些辛苦采集到的花朵,“竟被”用于研究蚊子,进而启发了一篇 Nature 论文。该论文可给人类永恒的痛点——灭蚊带来新“神器”。有两位审稿人认为,此次使用的方法不仅颇具开创性,同时也是理解蚊子嗅觉的里程碑工作。

担任论文一作兼通讯的北大校友赵志磊表示:“在风洞实验中,有超过 60% 的蚊子被它吸引。课题组也因此申请了专利,希望能把这个混合物应用到捕蚊器当中,来吸引诱杀蚊子。另一个思路是,如果能筛选到一个化合物来抑制蚊子对人类气味敏感的脑区,那么把它涂到皮肤上,是不是也能起到驱蚊效果?而这样的化合物或可作为新型驱蚊剂来使用。”

中国科学家揭示蚊子识别气味的神经机制,嗅觉只能被人体气味激活

▲图 | 赵志磊(来源:赵志磊)

他说,人的气味很复杂,可能有上百种化学分子混合其中。但是,此次研究发现在蚊子大脑中的初级嗅觉脑区,只有两个区域被激活。这意味着人们或能使用很简单的混合物,来模拟人体气味去吸引蚊子。

该研究发现,用正己醇和癸醛这两种气味分子以恰当的比例混合,可以很好地模拟人的气味,从而刺激蚊子大脑的激活模式。同时,这个双组分的混合物对蚊子有很强的吸引力。

蚊子,在日常生活中随处可见,不仅烦人、而且还会很危险,它们会给人类传播疟疾、登革热等的致命疾病。在演化过程中,一些蚊子物种变成专门从人身上吸血,这类蚊子最为可怕,因为它们给人传播疾病的效率非常高。

中国科学家揭示蚊子识别气味的神经机制,嗅觉只能被人体气味激活

(来源:Nature)

很早之前人们就知道,蚊子主要依靠气味来寻找宿主,所以这些专门咬人的蚊子,特别喜欢人的气味。但是,它们如何做到准确区分人和动物的气味的?这一直是个未解之谜。因此,该问题不仅是一个很有趣的基础研究问题,对于公共卫生领域也很重要。

事实上,此问题一直有被研究,但是长期未出现大突破。因为,蚊子是非模式生物,可被使用的研究工具很局限。而为了回答该团队想解决的科学问题,首先要攻克技术障碍,开发出能让人深入研究蚊子的工具。

其中,最关键的是遗传学工具,它能让研究人员特异性地标记蚊子的大脑,从而记录到蚊子的神经活动。然而,基因编辑技术在蚊子中还不够成熟、效率也很低,所以需要筛选大量蚊子,才能制造出正确的转基因品系。

中国科学家揭示蚊子识别气味的神经机制,嗅觉只能被人体气味激活

(来源:Nature)

为此,实验室耗时五年左右,才陆续取得进展,并制造出相关的遗传学工具。类似的技术问题还有很多,例如双光子钙成像在蚊子中的使用、宿主气味的收集和刺激等。

“所以如果看我们发表的论文,方法那一部分特别地长。而我们开发的这些工具和方法,不仅可以应用于蚊子的研究,还可以更广泛地用来研究其他动物的嗅觉。”赵志磊说。

中国科学家揭示蚊子识别气味的神经机制,嗅觉只能被人体气味激活

(来源:Nature)

有了这些新工具,就能深入研究蚊子的大脑,对它们的嗅觉行为获得全新的理解。具体来说,他们给蚊子做了“开颅手术”,然后用人和动物的气味来刺激它的触角,这样就能在显微镜下观察它的大脑活动。

期间,课题组惊奇地发现,蚊子的嗅觉脑区中有一个特定的区域,只能被人的气味激活,对其他动物的气味几乎没有反应。进一步研究发现,这个脑区会特异性地探测人气味中的一种化学分子——癸醛,这种分子在人的气味中特别多,在动物的气味中很少。至此,研究结论开始明晰起来:蚊子能准确地区分人和动物的气味,很有可能是通过检测癸醛含量的多少。

近日,相关论文以《蚊子大脑编码人类气味的独特特征以驱动宿主寻找》(Mosquito brains encode unique features of human odour to drive host seeking)为题,发表在 Nature 上。赵志磊担任一作兼通讯,普林斯顿大学生态与进化生物学系教授卡罗琳·麦克布赖德(Carolyn S. McBride)担任共同通讯作者。

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▲图 | 相关论文(来源:Nature)

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“头晚下暴雨,校园里的乳草一夜之间都谢了”

2016 年,是赵志磊在普林斯顿大学读博的第二年,他当时启动了这项研究。主要挑战在于,如何实现技术上突破例如基因编辑、钙成像等新技术。

因此,前期有两三年都是在做“基建”,即给蚊子开发基础的遗传学工具。拿到想要的转基因蚊子品系后,便开始探索如何在显微镜下观察它们的大脑活动。

刚开始的测试都是使用从公司购买的单一化合物,因为他们当时还不知道如何收集人和动物的真实气味去刺激蚊子。

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(来源:Nature)

当时的方法都不够适合,研究一度陷入瓶颈。直到有一次,课题组偶然从一些化学家那里了解到一种特殊的方法热解吸(thermal desorption),才意识到也许能用到蚊子研究中,遂开始测试这一方法。

直到 2019 年末,才克服掉所有方法学上的障碍,正式进行蚊子大脑的成像实验。而在第一个正式实验里,他们就斩获惊喜,发现了那个只被人的气味激活的脑区。后面,则是通过更严谨详细的探索来证明此次发现。

中国科学家揭示蚊子识别气味的神经机制,嗅觉只能被人体气味激活

(来源:Nature)

蚊子平常以花蜜为食,所以也会被花的气味所吸引。因此在实验中,需要采集花的气味。该团队选定了乳草(milkweed)作为采集对象,因为埃及伊蚊很喜欢它的花蜜,同时在普林斯顿的校园里也很常见。

一般在正式实验之前,都需要做预实验来优化条件。初夏乳草花盛开的时候,赵志磊开始做预实验,进展都还不错。但是,等把条件都摸清楚后,决定做正式实验时,头天晚上下了一场暴雨,校园里的乳草几乎是一夜之间都谢了,于是便有了文章开头的驱车采花......

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“正好赶上饶毅院长做改革”

而在科研中,一个问题的解答往往会引出更多的问题。该研究亦是如此。课题组发现蚊子大脑中有一个区域探测人的气味中的癸醛,但他们并不知道是什么基因编码了这个嗅觉受体。

如果找到了这个基因并把它突变掉,那么这些专门咬人的蚊子,是不是就不再喜欢人的气味了?

同时,该团队研究的是蚊子的初级嗅觉脑区,而蚊子感受到的嗅觉信息还得经过高级嗅觉脑区的进一步处理,才能转化为行为。

所以,在后续的计划清单里,有一项便是要研究蚊子大脑中的高级嗅觉脑区,对人和动物气味的感知。另外,并不是所有的蚊子都专门咬人,甚至以此次研究的埃及伊蚊为例,最早也是既咬人又咬动物的,只是在演化的过程中慢慢变成“咬人专业户”。

因此,接下来一个很有趣的项目就是,比较这些专门咬人的和既咬人又咬动物的两类蚊子,看看它们的大脑、尤其是嗅觉脑区有何差别。

据悉,赵志磊是云南省大理人。目前在美国康奈尔大学的神经生物学和行为学系做博士后,专注于研究鸟类的社会行为和大脑机制。其本科就读于北京大学生命科学学院,2014 年获得学士学位。

他说:“当时正好赶上饶毅院长对本科生的教学和科研做改革,给予我们很大的选课自由,同时鼓励我们早进实验室接触科学研究。所以,我从很早就熟悉做科研的大致过程,同时慢慢发现自己很喜欢做科研。而我本科毕业论文研究的是果蝇的基因组和演化。”之后 Gap 一年,并继续本科期间的科研项目,期间参与的几个工作,后面也有发表论文。

2015 年秋,赵志磊来到美国普林斯顿大学生态演化系读博,期间负责神经生物学和演化生物学的交叉研究,即主要研究大脑和行为的进化,算是很独特的一个领域。

而这种独特的交叉研究,又启发了赵志磊的科学思维塑造。这让他能从不同角度来思考同一问题,而不必局限于某个特定领域。目前,其博后研究也承袭了这一思路。

中国科学家揭示蚊子识别气味的神经机制,嗅觉只能被人体气味激活

参考资料:

1.Zhao, Z., Zung, J.L., Hinze, A. et al. Mosquito brains encode unique features of human odour to drive host seeking. Nature 605, 706–712 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04675-4

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