Die Aktivität einer Gruppe von Serotonin-Neuronen induziert Drosophila, Nahrung aufzunehmen • Svetlana Yastrebova • Wissenschaftsnachrichten zu den "Elementen" • Neurobiologie

Die Aktivität einer Gruppe von Serotonin-Neuronen induziert Drosophila, Nahrung zu absorbieren.

Abb. 1. Fruchtfliege Drosophila melanogaster. Fotos von derflybrary.com

In adulten Fruchtfliegen, Fruchtfliegen, wurde eine Gruppe von Neuronen entdeckt, deren Aktivierung zu einem Hungergefühl führt. Wenn diese Neuronen auf künstliche Weise gezwungen werden, Signale zu senden, werden selbst gut ernährte Drosophila wieder zum Essen gebracht – aber nur wenn sie direkt vor ihnen stehen, fangen solche Fliegen nicht an, nach Nahrung zu suchen. Während der Aktivierung dieser Zellen bevorzugt Drosophila energiereiche Nahrung. Die Neuronen der gefundenen Gruppe emittieren hauptsächlich Serotonin und beeinflussen die Arbeit der meisten Teile des Gehirns Drosophila.

Drosophila (Drosophila melanogaster) – eines der beliebtesten Studienobjekte mit Biologen. Diese kleine Fliege vervielfacht sich schnell, ist leicht zu füttern und benötigt wenig Platz für die Wartung. Die Genetik von Drosophila ist sehr gut bekannt, da sie nur 4 Chromosomenpaare hat. Ihr Nervensystem wurde ebenfalls gut untersucht. Drosophila hat etwa 150.000 Neuronen und kann nach einem Spulwurm die zweite werden. Caenorhabditis elegans ein Organismus, für den alle Verbindungen aller Neuronen hergestellt sind – das heißt, eine vollständige Verbindung wird beschrieben. (Y C. elegans, deren Verbindung wurde 1986 entschlüsselt, nur 302 Neuronen.) Die Arbeit an der Drosophila-Verbindung ist bereits im Gange, aber für jetzt sind die Verbindungen von jedem Neuron nicht offenbart, es ist sinnvoll zu bestimmenWas tun die kleinen Zellgruppen des Nervensystems dieser Fliege?

Warum das Gehirn eines Insekts untersuchen (siehe das Projekt Virtual Fly Brain), was hat es mit dem Menschen zu tun? Natürlich gibt es viele Unterschiede zwischen dem Nervensystem eines Säugetiers und einer Fliege. Dennoch sind die Arbeitsmuster des Zentralnervensystems in vielerlei Hinsicht gleich. Drosophila und Insekten im Allgemeinen haben funktionelle Analoga von Teilen des menschlichen Gehirns. Zum Beispiel ist eines dieser Analoga im Gehirn von Drosophila ein Pilzkörper. Wie unsere Großhirnrinde bestehen Pilzkörper aus mehreren Zellschichten und erhalten Informationen von den Sinnen; Sie verarbeiten diese Informationen und bauen Assoziationen auf der Basis der gewonnenen Daten auf.

Englisch: bio-pro.de/en/region/stern/magazin/…1/index.html Ein weiteres Fluganalogon des Säugetiergehirnareals wurde von den Autoren einer neuen Arbeit gefunden, die in Aktuelle Biologie (Abb. 2). Die Gruppe der Neuronen in Drosophila ist funktionell ähnlich wie das Hungerzentrum im Hypothalamus von Säugetieren. Offensichtlich begannen gut gefütterte Fliegen, die die Zellen der gefundenen Gruppe aktivierten, wieder Nahrung aufzunehmen. Gefundene Zellen produzieren Serotonin.

Abb. 2 Gehirn Drosophila. Serotonerge Zellen, die für das Hungergefühl verantwortlich sind, hervorgehoben grün. Bild aus dem Artikel in der Diskussion Aktuelle Biologie

In relativ einfachen Organismen, die ein Nervensystem haben, ist es oft möglich, Neuronen zu isolieren, die für komplexe Verhaltensweisen verantwortlich sind: Gefahr vermeiden, einen Sexualpartner suchen, Nahrung suchen usw. Solche Zellen werden Befehlsneurone genannt (siehe Pavel Balabans Vortrag "Team Neuronen"). sowie Zitate daraus). Sie sind oft größer als die anderen und haben viele Verzweigungsprozesse, von denen einige an den entferntesten Punkten des Nervensystems enden. Dementsprechend empfangen Befehlsneuronen Signale fast überall (und sie werden auch fast überall gesendet). Sie verarbeiten diese Signale und entscheiden, ob sie ein komplexes Verhaltensprogramm starten sollen – zum Beispiel, um eine Muschel zu zwingen, einen Fuß in die Spüle zu drücken, wenn etwas ihren zarten Mantel berührt.

Aber schließlich hat jeder im Leben beobachtet, dass eine Schnecke sich vollständig in der Spüle verstecken kann, und nur das Bein leicht schneiden kann. Die Stärke von Verhaltensreaktionen sowie die Aktivität von Befehlsneuronen kann kontrolliert werden. Dies wird normalerweise von Zellen getan, die Serotonin (serotonerge) produzieren.Die in Drosophila gefundenen Neuronen gehören einfach dazu modulierende Zellen. Sie haben auch lange Prozesse, die sich über das gesamte Korn erstrecken, und je nach Grad ihrer Aktivität frisst die Fliege mehr oder weniger.

Ich muss sagen, dass das Hungergefühl nur einer der Aspekte des Essverhaltens bei Fruchtfliegen ist. Darunter ist in dem diskutierten Artikel das Essen von Essen gemeint. Und Fliegen können nach Nahrung suchen, mehr oder weniger schmackhaft wählen, essen oder nicht essen in einer bestimmten Situation (unabhängig vom Hungergefühl) usw. All dies wird als getrennte Prozesse betrachtet, die nicht immer voneinander abhängen. In der Regel sind verschiedene Gruppen von Neuronen für diese Prozesse verantwortlich. Früher war bekannt, wie die gefressene Frucht in Drosophila reguliert wird (B. Al-Anzi et al., 2010). Der Stoffwechselweg und seine Neuronen regulieren die Mahlzeit Drosophila) welche Zellen für die Unterscheidung von Geschmäckern verantwortlich sind (Ch. Melcher, M. Pankratz, 2005. Kandidaten Gustatorisch Interneuronen, die das Fütterungsverhalten im Drosophila-Gehirn modulieren), aber wir wussten nicht genau, welche Zellen die Fliege fressen lassen.

Wie haben Wissenschaftler verstanden, welche Zellen gefunden wurden? Wie es normalerweise in der Physiologie geschieht, müssen sie, um die Funktion eines Organs oder einer Zelle zu bestimmen, zerlegt werden und sehen, was sich ändert. Aber es ist offensichtlich, dass, wenn die Nervenzellen, die Hunger verursachen, dauerhaft abgeschaltet sind, die Fliege absterben wird.Die zweite Möglichkeit ist ebenfalls möglich: Es kann mehrere Systeme geben, die das Hungergefühl erzeugen, und nach einer Weile passt sich das Gehirn von Drosophila an, ohne ausgeschaltete Zellen zu arbeiten. Daher ist es besser, die Funktion jeder Struktur zu untersuchen vorübergehend Verletzung ihrer Arbeit. Bei der besprochenen Arbeit wurde sowohl eine temporäre Störung als auch eine temporäre Aktivierung der Zellen verwendet. Zuerst werden die Gene von thermoaktivierten Ionenkanälen, Proteinporen in Zellmembranen, die geladene Partikel in Abhängigkeit von der Temperatur passieren lassen oder nicht, in Neuronen eingeführt. In diesem Fall waren die Kanäle kationisch: positiv geladene Ionen passierten sie (z. B. Na+). In diesem Fall war die Übertragung von Ionen nur bei einer Temperatur oberhalb eines bestimmten Wertes – + 32 ° C.

Als die Fliegen aus leeren Röhrchen mit einer Temperatur von + 22 ° C in Reagenzgläser mit auf + 32 ° C erhitzten Speisen gebracht wurden, begannen die oben genannten Kanäle zu arbeiten. Kationen traten in das Innere von Neuronen ein und verursachten ihre Depolarisation – ein Anstieg des Membranpotentials, wodurch die Zelle leichter zu aktivieren war. Aktivierte Neuronen isolierten Serotonin, das durch immunhistochemische Methoden etabliert wurde, und die Menge an gegessener Nahrung wurde durch Messung des Abdomens einer Fliege nachgewiesen (Fig. 3).Es stellte sich heraus, dass selbst diejenigen Insekten, die vorher gefüttert worden waren, gegessen wurden, als wären sie sehr hungrig.

Abb. 3 Visuelle Einschätzung der Futtermenge, die von Fliegen gefressen wird. Das Essen war blau gefärbt, so dass es durch die Oberfläche des Bauches des Insekts gesehen werden konnte. Von links nach rechts: eine volle Fliege mit inaktiven "Hunger-Neuronen", eine hungrige Fliege mit inaktiven "Hunger-Neuronen", eine volle Fliege mit aktiven "Hunger-Neuronen". Bild aus dem Artikel in der Diskussion Aktuelle Biologie

Neben einer rein visuellen Beurteilung der Nahrungsaufnahme beobachteten Wissenschaftler das Verhalten imaginärer hungriger Fliegen. Es stellte sich heraus, dass gut gefütterte Fliegen mit aktivierten "Hunger-Neuronen" in der Lage sind, sich an einen neuen nahrungsbedingten Reflex zu erinnern. Sein Wesen war das gleiche wie in den Experimenten von IP Pavlov mit einem Hund und einer Glühbirne, die jeder im Schulbiologiekurs kennt. Fliegen mussten lernen, zwischen zwei Gerüchen zu unterscheiden. Bei der Präsentation eines Geruchs erhielten die Insekten Zuckersirup, bei Vorlage eines anderen Geruchs wurde nichts gegeben. Gewöhnlich sind gut genährte Tiere extrem schwierig zu lehren, einen Geruch von einem anderen zu unterscheiden, weil sie nicht an dem Belohnungszuckersirup interessiert sind.

Nach diesen Versuchsreihen taten die Forscher das Gegenteil: Sie unterbrachen die Übertragung von Signalen von "Hunger-Neuronen" mit Hilfe eines anderen Moleküls, das ebenfalls thermisch aktiviert war. Dies wurde direkt während des Trainings der Fliegen mit dem oben beschriebenen nahrungsbedingten Reflex durchgeführt. Infolgedessen verlangsamte sich das Training und alle Fliegen, selbst die Hungrigen, begannen weniger zu essen, aßen aber nicht vollständig. Dies bedeutet, dass es andere Gruppen von Neuronen gibt, deren Aktivität die Fliege dazu veranlasst, Nahrung aufzunehmen, aber die Mechanismen ihrer Arbeit sind noch nicht bekannt.

Schließlich haben Wissenschaftler gezeigt, dass Fruchtfliegen mit aktivierten "Hunger-Neuronen" energieintensivere Nahrung bevorzugen. Fliegen hatten die Wahl zwischen zwei Lösungen mit unterschiedlichen Glukose-Stereoisomeren. Die chemische Struktur und der Geschmack dieser Substanzen unterscheiden sich nicht voneinander, aber lebende Organismen können Energie nur von einem von ihnen erhalten – D-Glucose. Es war seine Lösung, die von Fliegen mit aktiven "Hunger-Neuronen" bevorzugt wurde. Je länger das Insekt verhungerte oder je länger seine Zellen arbeiteten, die für das Hungergefühl verantwortlich waren, desto stärker wurde diese Bevorzugung ausgedrückt.

Was hast du während der beschriebenen Experimente gelernt? Erstens, im Gehirn eines erwachsenen Drosophila gibt es eine kleine Anzahl von Zellen, die für die Manifestation von Hunger verantwortlich sind.(Die Zellen, die auch für das Fressverhalten verantwortlich sind, wurden bereits in den Larven von Fruchtfliegen gefunden, aber ihre Mechanismen sind völlig unterschiedlich: sie reagieren auf Insulin und nicht auf Serotonin; siehe: X. Zhao, A. Campos, 2012. Insulin-Signalisierung in Pilzkörperneuronen regeln das Fressverhalten in Drosophila-Larven.) Zweitens konnte erkannt werden, welcher Neurotransmitter für die Reaktion verantwortlich ist Essen essen: Das ist Serotonin. Jetzt wird es für die Forscher einfacher zu verstehen, wie solch komplexe Verhaltensweisen wie Nahrung bereitgestellt und reguliert werden.

Quelle: Stephanie D. Albin, Karla R. Kaun, Jon-Michael Knapp, Phuong Chung, Ulrike Heberlein, Julie H. Simpson. Eine Untergruppe von serotonergen Neuronen ruft Hunger bei adulten Drosophila hervor // Aktuelle Biologie, 2015. V. 25. P. 1-6.

Svetlana Yastrebova


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