光学技术揭示了哺乳动物嗅觉编码中不打击的复杂性

寒冷的春天港口,纽约—由寒春港实验室(CSHL)的神经科学家联合领导的团队已经脱落— literally —在哺乳动物中嗅觉系统的电路上,给我们一个新的系统如何剥离一些最惊人的壮举。

例如,它从啮齿动物的行为实验中众所周知,啮齿动物可以在单个嗅闻中讲述两个相似的气味之间的差异。但在这种情况下,正是在发生什么“wiring”从鼻子中的感觉神经元引发到嗅灯泡中的专用细胞,它收集信号并将它们传递给大脑?如何在单一呼吸周期的短期内发生这种情况—一个吸气和一次呼气?

利用探索这个问题的新方法,CSHL科学家与哈佛大学的研究人员合作,印度班加罗尔的国家生物科学中心,暗示小鼠中的嗅灯泡不仅仅是鼻子之间的继电器站和大脑一样,许多人都应该。他们今天发表的数据 自然神经科学,表示“还有许多信息输出通道离开嗅灯泡[距离Cortex的路线]而不是输入它的信息类型数量,”从鼻子中的感觉受体。

这种复杂性在团队投机中可以帮助大脑迅速产生高度准确的气味区别,当团队使用光束以激活嗅灯泡内的高度专业化的细胞时变得显而易见,例如在单一呼吸期间测量其电活动的前奏循环。

使用光束追踪电路

研究涉及使用基因工程产生一系列小鼠的调查的第一步,其感觉神经元表达了一种从一种藻类中借来的基因,当光束聚焦时使它们发出火灾。藻类基因表达了一种称为沟道流蛋白-2(CHR2)的感光蛋白。

“我们这样做,当我还在哈佛,在Venki Murthy’S集团,克服过去嗅觉电路测量有限的问题,”佛罗林阿利谟(Ph.D.)佛罗林·阿尔西(Florin Albeanu)是一位新任命的CSHL助理教授,他共同领导了调查。“以前,我们将尝试将电极插入鼠标的嗅球。这有点像飞盲—您可以记录您遇到的任何单元格的电气活动,但您无法控制您将录制的单元格。 Ashesh Dhawale三年前我在高级成像方法上遇到的CSHL课程,我决定使用从灯泡的输出神经元耦合的感官神经元的光刺激来解决这个问题。”

想要监测的细胞Albeanu,Dhawale和同事称为二尖瓣细胞。这些专业的细胞是最终的“broadcasting”消息到鼠标的消息’在鼻上皮中的神经元感觉异味时开始的S皮质。每个感官神经元专门用于表达单个分子气味受体类型,在小鼠中的约1500中’S嗅觉调色板。具有相同灵敏度的细胞将其信号报告给单个专用球形单元—字面上是突触球— in the mouse’S嗅灯泡。这些收集站称为肾小球。

胶林胶含有大约15,000个轴颈进给它们,并且每个轴向依次通过初级枝丝给二尖瓣细胞来信号。一种肾小球可以连接到多达30分型细胞,所有这些都是在嗅灯泡中位于嗅灯泡中。二尖瓣细胞还通过往复式突触将它们横向连接的纤维,将它们横向连接,使其抑制局部间核心。通过用微小的光束直接激活嗅灯泡中的肾小球,该团队能够以良好的特异性鉴定二尖瓣细胞。

解释‘sister’细胞进出同步

他们能够瞄准—并记录电信号(动作电位)—从他们呼唤的二尖瓣细胞“sister cells,”平均的答复是非常相似的。这是因为姐妹细胞根据定义,通过来自同一肾小球的主要树枝状体接收信息。科学家也能够识别和监控活动“non-sister”二尖瓣细胞,烧制活动的根本不同的因素,因为它们的肾小球报告中的气味相对较大。

也许最有趣且令人惊讶的发现这种方式获得的电气记录是姐妹二尖瓣细胞,尽管它们与相同的肾小球相连,但是当鼠标呈现肾小球响应的气味时,不要冗余响应。事实上,Albeanu说,“我们观察到气味去同步姐妹二尖瓣细胞。这是我们没想到的事情。”

如何解释这个?该团队根据对许多姐妹和非姐妹二尖瓣细胞的活动进行的录音的比较形成了一个假设。据阿尔法努说,“我们想到了比较姐妹和非姐妹的两项活动指标。一种比较单个呼吸周期中的次数次数的次数;另一个比较了他们的烧制之间的间隔‘spikes,’更具体地说,它们相对于呼吸周期开始发生的点。

“换句话说,我们看着他们的射击率,并比较它,在同一姐妹和非姐妹中,他们的射击时间,”阿尔法鲁说。该团队发现,在姐妹的细胞中,当一个姐姐的射击速度发生变化时,它以类似的方式改变了另一个妹妹。但是他们的射击时间不同—他们在同一时刻射击,而不是射击。

“这导致我们相信正在使用两种类型的代码— it’■如果二尖瓣电池能够将两种不同的信息传达给皮质,并且它们通过多路复用率和时间代码在同一消息中进行,”据阿尔法鲁说。

更多信息=更准确的气味表示?

这些独立渠道,团队推测,可能会传达给大脑两种不同的东西。他们说,射击率的变化反映了来自姐妹们共享的肾小球的信息。这个非常具体的信息伴随着一个独立的消息,可以反映普通区域的肾小球输出的平均值,或者“surround,”姐妹们的特定肾小球。这些是通过二尖瓣电池之间的横向连接交换的信息乘以射击的不同滞后时间,科学家们称之为延迟。在这两个频道上传到皮质“将为Cortex提供更多信息,以歧视已被感知的气味,” Albeanu says.

在未来的研究中,科学家们计划系统地探索改变气味浓度对它们已经观察到的速率和时序性质的影响。它们也已经开始使用它们在具有光敏嗅觉感觉神经元中创建的鼠标线在行为研究中,这些行为研究可以缩小光线 - 时间规则在嗅灯泡水平下处理气味编码。

“鼠姐二尖瓣细胞的非冗余气味被鼠标中的光可寻性肾小球透露” appears in 自然神经科学 10月17日。作者是:Ashesh K. Dhawale,Akari Hagiwara,Upinder S. Bhalla,Venkatesh Murthy和Dinu F. Albeanu。本文可以在线找到: http://www.nature.com/neuro/index.html

冷泉港实验室(CSHL)是分子生物学和遗传学努力的私人,非营利性的研究和教育机构,以产生癌症,神经疾病和其他主要原因的更好的诊断和治疗人类痛苦。

有关更多信息,请访问 www.cshl.edu.



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