揭示蚊子識別人類氣味的神經(jīng)機(jī)制 其嗅覺腦區(qū)的特定區(qū)域只能被人體氣味激活

“我找遍整個(gè)小鎮(zhèn)都沒有合適的。當(dāng)時(shí)很著急，如果真的找不到，就得等明年。還好我導(dǎo)師的朋友說，紐約北部森林里乳草還在盛開，那邊氣候比普林斯頓更冷、花期也更晚。我立馬驅(qū)車4個(gè)多小時(shí)，一路向北抵達(dá)森林。當(dāng)看到那片盛開的乳草和周圍翩翩起舞的帝王蝴蝶時(shí)，幾乎喜極而泣。采完花我立刻返回實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)晚通宵把它們的氣味采集固定下來，這才回去睡了個(gè)踏實(shí)覺?！?/p>

看完這段話，一般人可能會想，采花不應(yīng)該是很浪漫，為何這么著急忙慌？對于科研人員來說，采花也可能是“行走的論文”。

而這些辛苦采集到的花朵，“竟被”用于研究蚊子，進(jìn)而啟發(fā)了一篇《自然》論文。該論文可給人類永恒的痛點(diǎn)——滅蚊帶來新“神器”。有兩位審稿人認(rèn)為，此次使用的方法不僅頗具開創(chuàng)性，同時(shí)也是理解蚊子嗅覺的里程碑工作。

擔(dān)任論文一作兼通訊的北京大學(xué)趙志磊表示：“在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，有超過60%的蚊子被它吸引。課題組也因此申請了專利，希望能把這個(gè)混合物應(yīng)用到捕蚊器當(dāng)中，來吸引誘殺蚊子。另一個(gè)思路是，如果能篩選到一個(gè)化合物來抑制蚊子對人類氣味敏感的腦區(qū)，那么把它涂到皮膚上，是不是也能起到驅(qū)蚊效果？而這樣的化合物或可作為新型驅(qū)蚊劑來使用?！?/p>

他說，人的氣味很復(fù)雜，可能有上百種化學(xué)分子混合其中。但是，此次研究發(fā)現(xiàn)在蚊子大腦中的初級嗅覺腦區(qū)，只有兩個(gè)區(qū)域被激活。這意味著人們或能使用很簡單的混合物，來模擬人體氣味去吸引蚊子。

該研究發(fā)現(xiàn)，用正己醇和癸醛這兩種氣味分子以恰當(dāng)?shù)谋壤旌希梢院芎玫啬M人的氣味，從而刺激蚊子大腦的激活模式。同時(shí)，這個(gè)雙組分的混合物對蚊子有很強(qiáng)的吸引力。

蚊子，在日常生活中隨處可見，不僅煩人而且還會很危險(xiǎn)，它們會給人類傳播瘧疾、登革熱等的致命疾病。在演化過程中，一些蚊子物種變成專門從人身上吸血，這類蚊子最為可怕，因?yàn)樗鼈兘o人傳播疾病的效率非常高。

很早之前人們就知道，蚊子主要依靠氣味來尋找宿主，所以這些專門咬人的蚊子，特別喜歡人的氣味。但是，它們?nèi)绾巫龅綔?zhǔn)確區(qū)分人和動物的氣味的？這一直是個(gè)未解之謎。因此，該問題不僅是一個(gè)很有趣的基礎(chǔ)研究問題，對于公共衛(wèi)生領(lǐng)域也很重要。

事實(shí)上，此問題一直有被研究，但是長期未出現(xiàn)大突破。因?yàn)?，蚊子是非模式生物，可被使用的研究工具很局限。而為了回答該團(tuán)隊(duì)想解決的科學(xué)問題，首先要攻克技術(shù)障礙，開發(fā)出能讓人深入研究蚊子的工具。

課程結(jié)束后，各教師根據(jù)學(xué)生上課表現(xiàn)進(jìn)行成績評價(jià)。對照組成績?yōu)椋?6.00±5.12）分，試驗(yàn)組成績?yōu)椋?5.92±5.33）分，兩組比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=0.085，P=0.699）。

其中，最關(guān)鍵的是遺傳學(xué)工具，它能讓研究人員特異性地標(biāo)記蚊子的大腦，從而記錄到蚊子的神經(jīng)活動。然而，基因編輯技術(shù)在蚊子中還不夠成熟，效率也很低，所以需要篩選大量蚊子，才能制造出正確的轉(zhuǎn)基因品系。

為此，實(shí)驗(yàn)室耗時(shí)五年左右，才陸續(xù)取得進(jìn)展，并制造出相關(guān)的遺傳學(xué)工具。類似的技術(shù)問題還有很多，例如雙光子鈣成像在蚊子中的使用、宿主氣味的收集和刺激等。

“所以如果看我們發(fā)表的論文，方法那一部分特別地長。而我們開發(fā)的這些工具和方法，不僅可以應(yīng)用于蚊子的研究，還可以更廣泛地用來研究其他動物的嗅覺?！壁w志磊說。

有了這些新工具，就能深入研究蚊子的大腦，對它們的嗅覺行為獲得全新的理解。具體來說，他們給蚊子做了“開顱手術(shù)”，然后用人和動物的氣味來刺激它的觸角，這樣就能在顯微鏡下觀察它的大腦活動。

期間，課題組驚奇地發(fā)現(xiàn)，蚊子的嗅覺腦區(qū)中有一個(gè)特定的區(qū)域，只能被人的氣味激活，對其他動物的氣味幾乎沒有反應(yīng)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這個(gè)腦區(qū)會特異性地探測人氣味中的一種化學(xué)分子——癸醛，這種分子在人的氣味中特別多，在動物的氣味中很少。至此，研究結(jié)論開始明晰起來：蚊子能準(zhǔn)確地區(qū)分人和動物的氣味，很有可能是通過檢測癸醛含量的多少。

近日，相關(guān)論文以《蚊子大腦編碼人類氣味的獨(dú)特特征以驅(qū)動宿主尋找》為題，發(fā)表在《自然》上。趙志磊擔(dān)任第一作者和通訊作者，普林斯頓大學(xué)生態(tài)與進(jìn)化生物學(xué)系教授卡羅琳·麥克布賴德?lián)喂餐ㄓ嵶髡摺?/p>

01 “頭晚下暴雨，校園里的乳草一夜之間都謝了”

實(shí)驗(yàn)顯示圖

2016年，是趙志磊在普林斯頓大學(xué)讀博的第二年，他當(dāng)時(shí)啟動了這項(xiàng)研究。主要挑戰(zhàn)在于如何實(shí)現(xiàn)技術(shù)上突破，例如基因編輯、鈣成像等新技術(shù)。

因此，前期有兩三年都是在做“基建”，即給蚊子開發(fā)基礎(chǔ)的遺傳學(xué)工具。拿到想要的轉(zhuǎn)基因蚊子品系后，便開始探索如何在顯微鏡下觀察它們的大腦活動。

當(dāng)時(shí)的方法都不夠適合，研究一度陷入瓶頸。直到有一次，課題組偶然從一些化學(xué)家那里了解到一種特殊的方法熱解吸，他們才意識到也許能應(yīng)用到蚊子研究中，遂開始測試這一方法。

實(shí)驗(yàn)顯示圖

直到2019年末，課題組才克服掉所有方法學(xué)上的障礙，正式進(jìn)行蚊子大腦的成像實(shí)驗(yàn)。而在第一個(gè)正式實(shí)驗(yàn)里，他們就斬獲驚喜，發(fā)現(xiàn)了那個(gè)只被人的氣味激活的腦區(qū)。而后，則是通過更嚴(yán)謹(jǐn)詳細(xì)的探索來證明此次發(fā)現(xiàn)。

蚊子平常以花蜜為食，所以也會被花的氣味所吸引。因此在實(shí)驗(yàn)中，需要采集花的氣味。該團(tuán)隊(duì)選定了乳草作為采集對象，因?yàn)榘＜耙廖煤芟矚g它的花蜜，同時(shí)在普林斯頓的校園里也很常見。

一般在正式實(shí)驗(yàn)之前都需要做預(yù)實(shí)驗(yàn)來優(yōu)化條件。初夏乳草花盛開的時(shí)候，趙志磊開始做預(yù)實(shí)驗(yàn)，開始進(jìn)展都還不錯(cuò)。但是，等把條件都摸清楚后，他們決定做正式實(shí)驗(yàn)時(shí)前一天天晚上下了一場暴雨，校園里的乳草幾乎是一夜之間都謝了，于是便有了文章開頭的驅(qū)車采花。

02 “正好趕上饒毅院長做改革”

而在科研中，一個(gè)問題的解答往往會引出更多的問題。該研究亦是如此。課題組發(fā)現(xiàn)蚊子大腦中有一個(gè)區(qū)域是探測人的氣味中的癸醛，但他們并不知道是什么基因編碼了這個(gè)嗅覺受體。

如果找到了這個(gè)基因并把它突變掉，那么這些專門叮人的蚊子是不是就不再喜歡人的氣味了？

同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)研究的是蚊子的初級嗅覺腦區(qū)，而蚊子感受到的嗅覺信息還得經(jīng)過高級嗅覺腦區(qū)的進(jìn)一步處理，才能轉(zhuǎn)化為行為。

所以，在后續(xù)的計(jì)劃清單里，有一項(xiàng)便是要研究蚊子大腦中的高級嗅覺腦區(qū)對人和動物氣味的感知。另外，并不是所有的蚊子都專門叮人，甚至以此次研究的埃及伊蚊為例，最早也是既叮人又叮動物的，只是在演化的過程中慢慢變成“咬人專業(yè)戶”。

因此，接下來一個(gè)很有趣的項(xiàng)目就是比較這些專門叮人的和既叮人又叮動物的兩類蚊子，看看它們的大腦、尤其是嗅覺腦區(qū)有何差別。

據(jù)悉，趙志磊是云南省大理人。目前在美國康奈爾大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)和行為學(xué)系做博士后，專注于研究鳥類的社會行為和大腦機(jī)制。其本科就讀于北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，2014年獲得學(xué)士學(xué)位。

他說：“當(dāng)時(shí)正好趕上饒毅院長對本科生的教學(xué)和科研做改革，給予我們很大的選課自由，同時(shí)鼓勵我們早進(jìn)實(shí)驗(yàn)室接觸科學(xué)研究。所以，我從很早就熟悉做科研的大致過程，同時(shí)慢慢發(fā)現(xiàn)自己很喜歡做科研。而我本科畢業(yè)論文研究的是果蠅的基因組和演化?！?/p>

2015年秋，趙志磊來到美國普林斯頓大學(xué)生態(tài)演化系讀博，期間負(fù)責(zé)神經(jīng)生物學(xué)和演化生物學(xué)的交叉研究，即主要研究大腦和行為的進(jìn)化，算是很獨(dú)特的一個(gè)領(lǐng)域。

而這種獨(dú)特的交叉研究，又啟發(fā)了趙志磊的科學(xué)思維塑造。這讓他能從不同角度來思考同一問題，而不必局限于某個(gè)特定領(lǐng)域。目前，其博士后研究也承襲了這一思路。