สมมติว่าคุณอาศัยอยู่ตรงข้ามกับร้านเบเกอรี่ บางครั้งคุณรู้สึกหิว ดังนั้นจึงรู้สึกอยากดื่มเมื่อกลิ่นโชยผ่านหน้าต่าง แต่บางครั้งความอิ่มแปล้ทำให้คุณเฉยเมย บางครั้งการโผล่ไปหาป๊อปโอเวอร์ดูเหมือนไม่มีปัญหา แต่บางครั้งแฟนเก่าที่อาฆาตแค้นก็อยู่ที่นั่นด้วย สมองของคุณมีอิทธิพลมากมายในการกำหนดสิ่งที่คุณจะทำ การศึกษาใหม่ของ MIT ให้รายละเอียดเกี่ยวกับตัวอย่างการทำงานในสัตว์ที่ง่ายกว่ามาก โดยเน้นถึงหลักการพื้นฐานที่อาจเป็นไปได้ว่าระบบประสาทรวมปัจจัยหลายอย่างเพื่อเป็นแนวทางในพฤติกรรมการหาอาหารได้อย่างไร
สัตว์ทุกตัวมีความท้าทายในการชั่งน้ำหนักสัญญาณประสาทสัมผัสและสถานะภายในที่หลากหลายเมื่อกำหนดพฤติกรรม แต่นักวิทยาศาสตร์รู้เพียงเล็กน้อยว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร เพื่อให้ได้ข้อมูล เชิงลึกทีมวิจัยจากสถาบัน Picower Institute for Learning and Memory ได้หันมาใช้ หนอน C. elegansซึ่งมีสภาวะทางพฤติกรรมที่ชัดเจนและระบบประสาท 302 เซลล์ ทำให้ปัญหาที่ซับซ้อนสามารถจัดการได้อย่างน้อย พวกเขาเกิดขึ้นพร้อมกับกรณีศึกษาว่าในเซลล์ประสาทรับกลิ่นที่สำคัญที่เรียกว่า AWA แหล่งข้อมูลของรัฐและข้อมูลทางประสาทสัมผัสจำนวนมากมาบรรจบกันเพื่อควบคุมการแสดงออกของตัวรับกลิ่นที่สำคัญได้อย่างไร การรวมอิทธิพลของพวกมันที่มีต่อความอุดมสมบูรณ์ของตัวรับนั้นจะกำหนดวิธีที่ AWA นำทางไปทั่วเพื่อหาอาหาร
“ในการศึกษานี้ เราผ่ากลไกที่ควบคุมระดับของตัวรับกลิ่นตัวเดียวในเซลล์ประสาทรับกลิ่นเพียงตัวเดียว โดยพิจารณาจากสภาวะที่ดำเนินอยู่และกระตุ้นประสบการณ์ของสัตว์” สตีเวน แฟลเวลล์ ผู้เขียนอาวุโส รองศาสตราจารย์ของ Lister Brothers ในภาควิชาของ MIT กล่าว วิทยาศาสตร์สมองและความรู้ความเข้าใจ. “การทำความเข้าใจว่าการรวมกลุ่มเกิดขึ้นได้อย่างไรในเซลล์หนึ่ง จะชี้ให้เห็นถึงวิธีที่อาจเกิดขึ้นโดยทั่วไป ในเซลล์ประสาทของหนอนตัวอื่นๆ และในสัตว์อื่นๆ”
MIT postdoc Ian McLachlan เป็นผู้นำการศึกษาที่ตีพิมพ์ในวันที่ 31 สิงหาคมในeLife เขากล่าวว่าทีมไม่จำเป็นต้องรู้ว่าพวกเขาจะค้นพบอะไรเมื่อเริ่มต้น
“เรารู้สึกประหลาดใจที่พบว่าสภาพภายในของสัตว์ดังกล่าวอาจมีผลกระทบต่อการแสดงออกของยีนในระดับเซลล์ประสาทรับความรู้สึก โดยพื้นฐานแล้ว ความหิวและความเครียดทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงวิธีที่สัตว์สัมผัสโลกภายนอกโดยเปลี่ยนสิ่งที่เซลล์ประสาทรับความรู้สึกตอบสนองต่อ” เขาพูดว่า. “เรายังรู้สึกตื่นเต้นที่เห็นว่าการแสดงออกของตัวรับเคมีไม่ได้ขึ้นอยู่กับอินพุตเพียงอย่างเดียว แต่ยังขึ้นอยู่กับผลรวมของสภาพแวดล้อมภายนอก ภาวะโภชนาการ และระดับความเครียดด้วย นี่เป็นวิธีใหม่ในการคิดเกี่ยวกับวิธีที่สัตว์เข้ารหัสสถานะการแข่งขันและสิ่งเร้าในสมองของพวกมัน”
อันที่จริง McLachlan, Flavell และทีมของพวกเขาไม่ได้มองหาเซลล์ประสาท AWA หรือตัวรับเคมีรับกลิ่นเฉพาะที่เรียกว่า STR-44 เป้าหมายเหล่านั้นมาจากข้อมูลที่เป็นกลางที่พวกเขารวบรวมเมื่อพิจารณาว่ายีนใดเปลี่ยนแปลงในการแสดงออกมากที่สุดเมื่อหนอนถูกเก็บไว้จากอาหารเป็นเวลาสามชั่วโมงเมื่อเทียบกับเมื่อพวกมันได้รับอาหารอย่างดี ยีนสำหรับตัวรับเคมีหลายตัวมีความแตกต่างกันอย่างมาก AWA พิสูจน์แล้วว่าเป็นเซลล์ประสาทที่มียีนควบคุมเหล่านี้จำนวนมากและตัวรับสองตัวคือ STR-44 และ SRD-28 ปรากฏเด่นชัดเป็นพิเศษในกลุ่มเหล่านี้
ผลลัพธ์นี้เพียงอย่างเดียวแสดงให้เห็นว่าสภาวะภายใน (ความหิว) ส่งผลต่อระดับของการแสดงออกของตัวรับในเซลล์ประสาทรับความรู้สึก McLachlan และผู้เขียนร่วมของเขาสามารถแสดงให้เห็นว่าการแสดงออกของ STR-44 ยังเปลี่ยนแปลงอย่างอิสระตามการปรากฏตัวของสารเคมีที่เครียดโดยพิจารณาจากกลิ่นอาหารที่หลากหลายและว่าหนอนได้รับประโยชน์จากการเผาผลาญอาหารหรือไม่ การทดสอบเพิ่มเติมที่นำโดยนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาและผู้เขียนร่วมที่สอง Talya Kramer เปิดเผยว่ากลิ่นใดที่กระตุ้น STR-44 ทำให้นักวิจัยสามารถแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงในการแสดงออกของ STR-44 ภายใน AWA ส่งผลโดยตรงต่อพฤติกรรมการแสวงหาอาหาร และยังมีการวิจัยเพิ่มเติมระบุวิธีโมเลกุลและวงจรที่แน่นอนโดยที่สัญญาณที่แตกต่างกันเหล่านี้ไปถึง AWA และวิธีที่พวกมันทำหน้าที่ภายในเซลล์เพื่อเปลี่ยนการแสดงออกของ STR-44
ตัวอย่างเช่น ในการทดลองหนึ่งทีมของ McLachlan และ Flavell แสดงให้เห็นว่าในขณะที่เวิร์มที่เลี้ยงและหิวโหยจะดิ้นเข้าหากลิ่นโปรดของผู้รับหากพวกมันแรงพอ มีเพียงหนอนที่อดอาหาร (ซึ่งแสดงตัวรับมากกว่า) เท่านั้นที่สามารถตรวจจับความเข้มข้นที่จางลงได้ ในการทดลองอื่น พวกเขาพบว่าในขณะที่หนอนที่หิวโหยจะกินช้าลงเมื่อไปถึงแหล่งอาหาร แม้ว่าหนอนที่ได้รับอาหารอย่างดีจะแล่นผ่านไปมาก็ตาม พวกมันก็สามารถทำให้เวิร์มที่ได้รับอาหารอย่างดีทำตัวเหมือนถูกอดอาหารด้วยการแสดง STR-44 ที่เกินจริง การทดลองดังกล่าวแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงการแสดงออกของ STR-44 มีผลโดยตรงต่อการแสวงหาอาหาร
การทดลองอื่นๆ แสดงให้เห็นว่าปัจจัยหลายประการผลักดันและดึง STR-44 อย่างไร ตัวอย่างเช่น พวกเขาพบว่าเมื่อพวกเขาเพิ่มสารเคมีที่เน้นเวิร์ม ซึ่งจะลดการแสดงออกของ STR-44 แม้แต่ในเวิร์มที่อดอาหาร และในเวลาต่อมา พวกเขาพบว่าสิ่งกระตุ้นแบบเดียวกันนั้นระงับแรงกระตุ้นของเวิร์มที่จะดิ้นเข้าหากลิ่นที่ STR-44 ตอบสนอง เช่นเดียวกับที่คุณอาจหลีกเลี่ยงการเดินตามจมูกไปที่ร้านเบเกอรี่ แม้ว่าคุณจะหิวก็ตาม หากคุณเห็นแฟนเก่าของคุณอยู่ที่นั่น เวิร์มจะชั่งน้ำหนักแหล่งที่มาของความเครียดต่อความหิวเมื่อตัดสินใจว่าจะรับประทานอาหารหรือไม่ การศึกษาแสดงให้เห็นว่าพวกเขาทำเช่นนั้น โดยอิงจากสัญญาณและสถานะที่แตกต่างกันเหล่านี้ผลักดันและดึงนิพจน์ STR-44 ใน AWA
การทดลองอื่นๆ อีกหลายครั้งตรวจสอบเส้นทางของระบบประสาทของหนอนที่นำสัญญาณประสาทสัมผัส ความหิว และการกินอย่างกระฉับกระเฉงมาสู่ AWA ผู้ช่วยด้านเทคนิค Malvika Dua ช่วยเปิดเผยว่าเซลล์ประสาทที่รับรู้อาหารอื่น ๆ ส่งผลต่อการแสดงออกของ STR-44 ใน AWA ผ่านการส่งสัญญาณอินซูลินและการเชื่อมต่อ synaptic อย่างไร ตัวชี้ว่าตัวหนอนกำลังกินอยู่หรือไม่นั้นมาจากเซลล์ประสาทในลำไส้ซึ่งใช้เซ็นเซอร์ตรวจจับสารอาหารระดับโมเลกุลที่เรียกว่า TORC2 สิ่งเหล่านี้และเส้นทางการตรวจจับความเครียดทั้งหมดทำหน้าที่ใน FOXO ซึ่งเป็นตัวควบคุมการแสดงออกของยีน กล่าวอีกนัยหนึ่ง อินพุตทั้งหมดที่ส่งผลต่อการแสดงออกของ STR-44 ใน AWA นั้นทำได้โดยการผลักและดึงคันโยกโมเลกุลเดียวกันอย่างอิสระ
Flavell และ McLachlan สังเกตว่าวิถีทางต่างๆ เช่น อินซูลินและ TORC2 มีอยู่ไม่เฉพาะในเซลล์ประสาทรับความรู้สึกอื่นๆ ของหนอนเท่านั้น แต่ยังมีสัตว์อื่นๆ อีกมากมาย รวมทั้งมนุษย์ด้วย นอกจากนี้ ตัวรับความรู้สึกยังถูกควบคุมโดยการอดอาหารในเซลล์ประสาทมากกว่าแค่ AWA การทับซ้อนกันเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่ากลไกที่พวกเขาค้นพบใน AWA สำหรับการบูรณาการข้อมูลมีแนวโน้มที่จะเล่นในเซลล์ประสาทอื่น ๆ และอาจอยู่ในสัตว์อื่น ๆ Flavell กล่าว
McLachlan กล่าวเสริมว่า ข้อมูลเชิงลึกพื้นฐานจากการศึกษานี้สามารถช่วยให้ข้อมูลการวิจัยว่าการส่งสัญญาณของลำไส้และสมองผ่าน TORC2 ทำงานในคนอย่างไร
McLachlan กล่าวว่า “นี่เป็นเส้นทางหลักสำหรับการส่งสัญญาณจากลำไส้สู่สมองในC. elegansและฉันหวังว่าในที่สุดมันจะมีความสำคัญในการแปลต่อสุขภาพของมนุษย์”
นอกจาก McLachlan, Flavell, Kramer และ Dua แล้ว ผู้เขียนคนอื่นๆ ของบทความนี้ ได้แก่ Matthew Gomes และ Ugur Dag จาก MIT และ Elizabeth DiLoreto และ Jagan Srinivasan จาก Worcester Polytechnic Institute
มูลนิธิ JPB, สถาบันสุขภาพแห่งชาติ, มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ, มูลนิธิ McKnight และมูลนิธิ Alfred P. Sloan ได้ให้ทุนสนับสนุนสำหรับการศึกษานี้
