Cell新研究顛覆神經生物學教條

日期：2016-05-30 09:01:16

哺乳動物的嗅覺比我們認為的要復雜得多。并非一個受體家族專門致力于檢測氣味，一項小鼠研究報道稱發現嗅球周圍的一組神經元利用了一種替代機制來捕捉氣味。他們所謂的這些necklace神經元利用了新發現的嗅覺檢測系統來響應引起本能反應的氣味，如信息素和種子與堅果的味道。哈佛大學的研究人員將他們的研究結果發布在《細胞》（Cell）雜志上。

論文的資深作者、哈佛醫學院神經生物學家Sandeep Robert Datta說：“我們的研究工作表明，就機理而言哺乳動物的嗅覺機制并非是完全統一的，而是可以采用許多形式，由多種類型的受體所介導。這些研究結果改變了我們對于動物如何探查化學環境的看法。”

回到1991年，獲得諾貝爾獎的研究工作表明，在哺乳動物主要嗅覺系統中的每一個感覺神經元均表達一種類型的G蛋白偶聯受體(GPCR)，來專門檢測一種特定類型的氣味。在嗅覺系統中所有感覺神經元的這種活動模式使得我們能夠區分出環境中的不同氣味。這種每個神經元一種GPCR的模型還存在于犁鼻嗅覺系統中，專門識別一些信息素，表明了一種常見且普遍的處理嗅覺的機制。然而，由necklace神經元構成的第三種嗅覺系統也可以響應不同的氣味。而一直以來卻不清楚這些神經元表達了哪種受體，以及它們在氣味感知中所起的作用。

在新研究中，Datta和他的研究小組發現不同于哺乳動物所有其他類型的嗅覺感知神經元，小鼠中的necklace神經元不表達GPCRs。這些神經元表達了以往從不知道在氣味感知中起作用的MS4A類蛋白。此外，每個necklace神經元表達多種類型的MS4A受體，與組織昆蟲和其他哺乳動物嗅覺系統的一個神經元一種受體規則完全相反。這些受體響應特定存在于堅果和種子中的脂肪酸以及已知小鼠厭惡的信息素。

Datta說：“這一研究發現有力地表明，大腦必定采用了與區別大多數氣味時非常不同的一種策略，解讀來自這些受體的信息。我們推測（但還沒有證據支持這一想法）：MS4As被用來作為大腦的一種警報系統，讓它知道在世界上有一些真正重要的東西就在那里，但卻沒有告訴大腦那確切是什么。”

通過分析哺乳動物物種間Ms4a基因的差異，研究人員發現這些基因在哺乳動物味覺和信息素受體出現前就發生了進化。“MS4As已存在了至少4億年，表明這些受體發揮了至關重要的作用，使得動物能夠與嗅覺環境互作，”Datta說。

以往發現，MS4A受體存在于人類的腸、肺細胞，甚至精子細胞。基于MS4A受體在不同組織中的表達模式，以及它們檢測的氣味類型，Datta懷疑MS4A分子代表了感知環境中一些小分子的一種古老機制。Datta說：“有可能這是MS4As跨物種的一種主要功能，而MS4As得嗅覺功能實際上是新近進化出來的。”

目前尚不清楚MS4As在人類中是否充當了氣味受體。在未來的研究中，Datta和他的研究小組將探究MS4A蛋白是否跨物種充當了一種原始的氣味受體。“這將會非常的有趣，因為它表明了許多動物都有我們未意識到埋在主要嗅覺系統中的一種隱藏的鼻子，”Datta說。

由于MS4A p在機體許多細胞上表達，研究人員還將測試它們是否會檢測身體自身產生的信號。“如果是這樣的話，將表明經歷進化Ms4As如此普遍的一個原因是，它們非常適合檢測環境中的小分子，不論這一環境是外部或是內部世界，”Datta說。

如果有機會去聞一聞，山貓的氣味將會令你難以忘懷——就好像爛肉混合著汗水的味道，背后有著一種難以形容的野性。對于人類來說，這只是令人皺鼻和惡心。但對于小鼠而言，它聞起來很像一樣東西：恐懼。

現在，一項研究確定了這一先天恐懼反應背后的神經細胞和大腦區域。借助利用特別設計的病毒來揭示相關神經信號通路的一項新技術，由Fred Hutchinson癌癥研究中心生物學家、諾貝爾獎得主Linda Buck博士領導的一個研究小組，準確地找出了負責這種氣味誘導反應的小鼠微小大腦區域。

美國索爾克研究所的研究人員通過測量線蟲如何爬向一種吸引人的、食物樣的氣味，能夠預測線蟲是否會長壽。這一研究結果發表在2015年國際雜志《eLife》，表明秀麗隱桿線蟲可處理關于“環境以及隨著動物衰老大腦中的電路如何變化”的信息。

人類之所以能聞到氣味，是因為有氣味的物質“激活”了鼻子里的氣味受體（OR）。然而，科學家們并不清楚這些受體識別氣味分子的具體機制。嗅覺的振動理論認為，我們是通過振動頻率來感知氣味的，而不是氣味-氣味受體的相互作用。上海交通大學、紐約州立大學、紐約城市大學、杜克大學的研究團隊在美國國家科學院院刊PNAS雜志上發表文章指出，從理論上和實驗數據上看，振動理論并不正確。