當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)細胞專門用于檢測何時攝入細菌; 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)出大腦停止運動的信號。研究人員還發(fā)現(xiàn)了在這種專門的神經(jīng)細胞中運行的新離子通道，用于檢測細菌。

“就腸道如何向大腦發(fā)出信號的精確機制而言，尚不清楚究竟發(fā)生了什么，”大腦與認知科學(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動有很大的影響。蠕蟲的飲食主要由細菌組成，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)當蠕蟲吃細菌食物時，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，在動物吃細菌食物時起著激活神經(jīng)元的關(guān)鍵作用。

進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。Flavell推測，ASIC可能在感知消化道和其他地方的細菌群體中發(fā)揮一般作用。

研究人員現(xiàn)在試圖弄清DEL-3和DEL-7如何檢測細菌。一種可能性是通道直接檢測細菌分泌的化合物。另外，F(xiàn)lavell說，細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，我們可以直接進入這些其他細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菌信號。”

研究人員還在更詳細地探索血清素對其他動物大腦的影響。一旦NSM細胞中的離子通道被激活，細胞就開始釋放血清素，然后可以通過附近表達血清素受體的神經(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)的這種細菌感應(yīng)的基本機制是否也在人體中發(fā)揮作用。人體腸道含有多種細菌，稱為微生物組。此外，腸道內(nèi)襯有稱為腸嗜鉻細胞的神經(jīng)元樣細胞，這些細胞產(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。