果蠅在飢餓或飽食時對同一氣味有不同行為反應

想像一下我們在餐廳點餐，如果我們當時飢腸轆轆，通常會想點一份讓自己飽足的餐點，然而如果我們當時不餓或是有飽足感，通常考慮其他因素，比如餐點是否健康、會不會太多、太油膩之類的，考量點或說點餐的行為就變得不一樣了，既然飢餓程度會影響我們的行為，其他生物是否也有同樣的情況呢？

2019年發表於NatureAdvance的文章證實了，果蠅的幼蟲在飢餓或飽足時，對同一個氣味會有截然相反的行為。研究人員將果蠅幼蟲放置培養皿中，並將有氣味的空氣從培養皿的一邊送入培養皿，觀察幼蟲在培養敏中移動的情形，如果幼蟲遠離、討厭該氣味，則幼蟲的足跡在氣味輸入口會特別稀疏，反之如果幼蟲靠近、喜歡該氣味，足跡在氣味輸入口會特別密集，藉此實驗可以得到幼蟲對氣味的偏好情形，然後他們發現，果蠅幼蟲正常時會遠離geranyl acetate(GA)，但飢餓狀態的幼蟲反而會靠近GA，產生相反的偏好行為。

接著研究人員想找出產生這個現象的調控機制。果蠅幼蟲的嗅覺的神經路徑如下，首先嗅神經會對空氣中的化學分子產生神經訊號傳遞至嗅小球，刺激嗅小球的projection neurons(PNs)與local neurons(LNs)，LNs顧名思義只有在嗅小球間連接，沒有將神經訊號傳道其他腦區，且通常抑制下游的神經元，PNs自嗅小球接收嗅覺訊息並傳遞往mushroom body(MB)與lateral horn(LH)。首先研究者將所有嗅神經突變，即該幼蟲無法對空氣中的化學分子產生神經訊號，理所當然的無論是否處於飢餓狀態，幼蟲對GA皆無靠近或遠離行為。接著他們測試PNs，發現2種不同的PN的活化分別對應靠近、喜歡GA或遠離、討厭該氣味，uPNs(一種PN)受到人工抑制後，即使幼蟲處於飢餓狀態，也會討厭、遠離GA，即uPN的活化會使幼蟲產生喜歡、靠近的行為，而mPN(另一種PN)受到人工抑制後則相反，即使幼蟲沒有飢餓，也會喜歡、靠近GA，即mPN的活化會使幼蟲產生討厭、遠離的行為。然後他們發現pLN1與pLN4(2種LN)的活化會抑制mPN的活性，促使幼蟲產生喜歡、靠近的行為。另外他們發現以血清素作為神經傳導物的CSD神經受到人工抑制後，即使幼蟲處於飢餓狀態，也會討厭、遠離GA，表示CSD神經是使幼蟲產生喜歡、靠近行為神經途徑上，而uPNs會受到血清素的活化，經過文獻回顧，他們確定CSD神經在uPNs的下游，並提出是CSD神經活化uPNs的假，為了支持自己的假設，他們建立神經網路模型，將CSD設定成活化uPNs，並從整個途徑中選一些神經測試活化或抑制對氣味反應的影響，對比實際行為實驗，模型能成功預測大部分的情況，最後如圖所示，研究人員提出了果蠅幼蟲在不同飢餓狀態時產生不同氣味反應的神經傳道路徑。

在這篇研究中，並沒有提出是什麼因素從2種神經傳導途徑做出選擇，但我們可以從成年果蠅的調控機製作一個參考，成年果蠅用胰島素作為是否飢餓的訊號，在相對應路徑的嗅小球做出活性改變，未來可以朝這方面進行研究。

撰文：張誌元

參考資料：

Vogt, Katrin, et al. "Internal state configures olfactory behavior and early sensory processing in Drosophila larvae." Science advances 7.1 (2021): eabd6900.