當(dāng)饑餓的蠕蟲遇到豐富的食物來源時，它會立即減慢速度，因此它可以吞噬這個盛宴。一旦蠕蟲充滿，或食物耗盡，它將再次開始漫游。

麻省理工學(xué)院的一項新研究現(xiàn)在揭示了蠕蟲的消化道如何在大量徘徊的情況下向大腦發(fā)出信號的更多細(xì)節(jié)。研究人員發(fā)現(xiàn)，在秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)腸道中發(fā)現(xiàn)的一種神經(jīng)細(xì)胞專門用于檢測何時攝入細(xì)菌; 一旦發(fā)生這種情況，神經(jīng)元會釋放出一種神經(jīng)遞質(zhì)，這種神經(jīng)遞質(zhì)會發(fā)出大腦停止運(yùn)動的信號。研究人員還發(fā)現(xiàn)了在這種專門的神經(jīng)細(xì)胞中運(yùn)行的新離子通道，用于檢測細(xì)菌。

“就腸道如何向大腦發(fā)出信號的精確機(jī)制而言，尚不清楚究竟發(fā)生了什么，”大腦與認(rèn)知科學(xué)助理教授，麻省理工學(xué)院Picower學(xué)習(xí)與記憶研究所成員史蒂文弗拉維爾說。 。“食物是真正激發(fā)這種動物的東西，所以人們已經(jīng)研究了很長一段時間，但神經(jīng)系統(tǒng)檢測到食物攝入的機(jī)制是為了推動行為改變，這種改變確實已經(jīng)失蹤了。”

Flavell是該研究的高級作者，該研究出現(xiàn)在12月20日的Cell雜志上。Jeffower Rhoades是Picower研究所的前技術(shù)助理，是該論文的第一作者。

腸 - 腦連接

在所有動物中，腸道和大腦有很強(qiáng)的聯(lián)系。來自我們胃腸道的信號讓我們知道什么時候我們已經(jīng)吃飽了，并通過瘦素和生長素釋放激素等激素控制我們的食欲。胃腸道也是身體大部分血清素的來源，血清素也起到食欲的作用。

此外，消化道有自己的半獨(dú)立神經(jīng)系統(tǒng)，稱為腸神經(jīng)系統(tǒng)。這種神經(jīng)元系統(tǒng)控制GI功能，例如消化器官的收縮以及激素和消化酶的分泌。

盡管尚未充分了解人類腸道神經(jīng)系統(tǒng)的完整復(fù)雜性，但許多研究人員使用具有更簡單神經(jīng)系統(tǒng)的秀麗隱桿線蟲作為研究攝食行為的模型。研究人員之前已經(jīng)表明，食物對秀麗隱桿線蟲的運(yùn)動有很大的影響。蠕蟲的飲食主要由細(xì)菌組成，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，只要蠕蟲遇到大塊食物，它們就會減速消耗它。當(dāng)他們吃飽時，弗拉維爾和他的同事們發(fā)現(xiàn)動物們開始在他們的環(huán)境中再次游蕩。由于他們最近的研究，我們開始明白為什么。

“有行為證據(jù)表明秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)系統(tǒng)正在接收有關(guān)環(huán)境中食物的信息，但我們不知道它是如何起作用的，”弗拉維爾說。

研究人員知道血清素釋放正在推動減速，但他們并不知道觸發(fā)釋放的原因。為了弄清楚這一點，他們決定研究一種產(chǎn)生5-羥色胺的腸神經(jīng)元，稱為神經(jīng)分泌 - 運(yùn)動(NSM)神經(jīng)元，它們位于秀麗隱桿線蟲消化器官的內(nèi)層，稱為咽。

通過一系列實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)蠕蟲吃細(xì)菌食物時，NSM神經(jīng)元會立即活躍起來。NSM神經(jīng)元有一個長的延伸，或神經(jīng)突，投射到蠕蟲的腸道。研究人員還發(fā)現(xiàn)，這種神經(jīng)突起作為NSM神經(jīng)元的感覺結(jié)束，在動物吃細(xì)菌食物時起著激活神經(jīng)元的關(guān)鍵作用。

進(jìn)一步的研究揭示了兩個新的離子通道，稱為DEL-3和DEL-7，位于該神經(jīng)突的最頂端，是NSM神經(jīng)元被細(xì)菌食物激活所必需的。這些通道是稱為酸敏感離子通道(ASIC)的蛋白質(zhì)家族的一部分，其存在于包括人類在內(nèi)的所有動物中。其中一些通道??在味覺和疼痛檢測中起作用，而其他通道的功能仍然未知。有趣的是，這些通道也在哺乳動物腸道的腸神經(jīng)元中表達(dá)。Flavell推測，ASIC可能在感知消化道和其他地方的細(xì)菌群體中發(fā)揮一般作用。

研究人員現(xiàn)在試圖弄清DEL-3和DEL-7如何檢測細(xì)菌。一種可能性是通道直接檢測細(xì)菌分泌的化合物。另外，F(xiàn)lavell說，細(xì)菌化合物可能與附近的受體相互作用，從而激活離子通道。

許多神經(jīng)元

Flavell的實驗室還計劃研究其他也有腸道擴(kuò)展的秀麗隱桿線蟲神經(jīng)元，看它們是否與NSM神經(jīng)元發(fā)揮相??似作用，可能檢測到細(xì)菌或其他食物暗示的其他成分。

“通過我們現(xiàn)有的工具，我們可以直接進(jìn)入這些其他細(xì)胞類型并詢問它們是否被食物攝入激活，如果是這樣，它們表達(dá)的是哪種通道，”Flavell說。“蠕蟲中還有大約30個與DEL-3和DEL-7密切相關(guān)的離子通道，它們可能正在檢測其他細(xì)菌信號。”

研究人員還在更詳細(xì)地探索血清素對其他動物大腦的影響。一旦NSM細(xì)胞中的離子通道被激活，細(xì)胞就開始釋放血清素，然后可以通過附近表達(dá)血清素受體的神經(jīng)元檢測血清素。

“我們試圖真正關(guān)注整個神經(jīng)系統(tǒng)的其余部分，看看血清素如何改變許多下游細(xì)胞的活動，最終導(dǎo)致這種行為改變，”弗拉維爾說。

另一個尚未得到解答的問題是Flavell實驗室發(fā)現(xiàn)的這種細(xì)菌感應(yīng)的基本機(jī)制是否也在人體中發(fā)揮作用。人體腸道含有多種細(xì)菌，稱為微生物組。此外，腸道內(nèi)襯有稱為腸嗜鉻細(xì)胞的神經(jīng)元樣細(xì)胞，這些細(xì)胞產(chǎn)生血清素并將其釋放到向大腦傳遞信息的感覺神經(jīng)元。研究人員才剛剛開始了解可能允許這些細(xì)胞檢測腸道內(nèi)容的通道和受體，以及5-羥色胺能腸道信號可能如何改變哺乳動物的行為。蠕蟲中的這些新機(jī)制可以指導(dǎo)該領(lǐng)域的未來研究。

該研究由JPB基金會，Picower研究所創(chuàng)新基金，Picower神經(jīng)疾病研究基金，NARSAD青年研究員項目，國立衛(wèi)生研究院，霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所和國家科學(xué)基金會資助。