多巴胺信号传导使神经回路产生协调行为

对于线虫来说，它们吃细菌的草坪是分散卵的好地方，这样每一个孵化出来的卵都能进入营养环境。这就是为什么蠕虫在食物斑块上快速漫游时会有序地产卵。麻省理工学院Pickel学习和记忆研究所的神经科学家进行的一项新研究调查了这种协调行动的例子——产卵与动物的漫游有关——以证明神经系统如何协调不同的行为输出。这是许多生物在日常生活中面临的挑战，尽管方式不同。

科学家指出，“所有动物都表现出出色的协调各种运动项目的能力，但人们对这种协调机制的大脑机制知之甚少。”包括麻省理工学院大脑系李斯特兄弟职业发展助理教授斯蒂芬弗莱威尔在内的科学家指出。认知科学。

Flavell实验室的成员Nathan Cermak、Stephanie Yu和Rebekah Clark是6月8日发表在eLife上的这项研究的共同首席作者。

新的成像平台

为了研究动物如何协调它们的运动程序，Flavell的团队发明了一种新的显微镜平台，它可以在几个小时或几天内拍摄清晰和高帧率的线虫视频。在定制软件的指导下，示波器自动跟踪蠕虫，以便研究人员收集每种动物的行为信息。该团队还编写了机器视觉软件，从这些视频中自动提取秀丽隐杆线虫运动程序的信息——运动、进食、产卵等。从而产生每种动物行为输出的近乎全面的图像。Flavell表示，瞄准镜部件的成本约为3000美元，使用团队的在线教程可以在一两天内组装完成。他们已经在网上免费发布了软件和系统软件。这些显微镜的经济性和灵活性应该使它们能够用于生物学中的许多不同应用。

通过使用这个系统，然后分析数据，Flavell的团队首次能够识别出多种涉及多种运动协调的线虫行为模式。弗拉维尔说，从这个系统和随后的分析中得出的一个见解是，线虫(科学上称为线虫)在深入研究后的行为状态比常规假设更加鲜明。例如，研究发现，之前根据动物的停留状态定义的称为“栖息”的行为状态实际上由许多不同的子状态组成，可以通过这种新的成像方法轻松识别。

多巴胺协调行为

然而，从分析中最明显的新行为模式之一是观察到蠕虫在食物草坪上漫游时比生活时产卵更多。这可能会导致动物在营养丰富的环境中完全分散卵。先前的工作已经仔细定义了控制动物运动和产卵的两个运动回路。因此，基于他们的新发现，Flavell的小组决定研究蠕虫的神经系统如何将运动和产卵耦合起来。事实证明，这取决于神经递质多巴胺，多巴胺在包括人在内的所有动物中都很丰富。

他们首先敲除各种神经递质和其他大脑调节分子的基因。这些候选物中的许多，如5-羟色胺，已经以重要的方式影响了动物的行为，但没有打破漫游和产卵之间的联系。直到研究小组敲除了产生多巴胺所需的cat-2基因，蠕虫在漫游时停止增加产卵数量。值得注意的是，它并不影响在家产卵的速度，这表明没有多巴胺的蠕虫在其他行为状态下仍然可以正常产卵。

研究小组通过使用光遗传学直接控制产生多巴胺的细胞，进一步证实了多巴胺的作用。光遗传学是一种可以通过闪光来开启或关闭神经元活动的技术。在这些实验中，他们了解到，只有当动物在漫游时，突然关闭多巴胺能神经元可以减少产卵，但激活这些神经元可以驱动动物开始产卵，即使产卵的步伐加快。通常更低。

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