Las moscas de la fruta, Drosophila melanogaster, tienen una relación complicada con el dióxido de carbono. En algunos contextos, CO₂ indica la presencia de fuentes de alimentos sabrosos, ya que la levadura que fermenta el azúcar en la fruta produce la molécula como subproducto. Pero en otros casos, CO₂ puede ser una advertencia para mantenerse alejado, lo que indica un entorno pobre en oxígeno o superpoblado con demasiadas otras moscas. ¿Cómo las moscas notan la diferencia?

Ahora, un nuevo estudio revela que las neuronas olfativas de la mosca de la fruta, las responsables de detectar "olores" químicos como el CO₂ —tener la capacidad de hablar entre sí a través de un camino previamente desconocido. El trabajo proporciona información sobre los procesos fundamentales mediante los cuales las células cerebrales se comunican entre sí y también brinda nuevas pistas para resolver los misterios de larga data sobre las moscas de la fruta y el CO₂. .

La investigación se llevó a cabo en el laboratorio de Elizabeth Hong (BS '02), profesora asistente de neurociencia y Chen Scholar del Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience en Caltech. Un artículo que describe el estudio aparece en la revista Current Biology el 6 de septiembre.

"CO₂ es una señal importante pero compleja que se encuentra en todo tipo de situaciones diferentes en el entorno natural, e ilustra un desafío central que enfrentan los neurobiólogos para comprender el cerebro:¿Cómo procesa el cerebro la misma señal sensorial en diferentes contextos para permitir que el animal responda adecuadamente? ?" dice Hong. "Abordamos esta pregunta utilizando el sistema olfativo de la mosca, uno de los circuitos sensoriales mejor estudiados y mejor caracterizados. Y aun así, con esta investigación, descubrimos un fenómeno nuevo y sorprendente sobre cómo el cerebro procesa las señales sensoriales".

El olfato, o el sentido del olfato, fue el sistema sensorial original que evolucionó en todos los animales. Aunque los humanos son principalmente visuales, la mayoría de los animales usan el olfato como el método principal para comprender su entorno:olfatear la comida, evitar a los depredadores y encontrar pareja. Las moscas de la fruta son un modelo particularmente manejable para comprender los mecanismos biológicos que subyacen al sentido del olfato:una mosca de la fruta solo tiene alrededor de 50 receptores odorantes diferentes, mientras que un humano tiene alrededor de 400 a 500 y los ratones tienen más de mil.

La "nariz" de una mosca son sus dos antenas. Estas antenas están recubiertas de finos pelos llamados sensilla, y dentro de cada sensillum se encuentran las neuronas olfatorias. Olores, como CO₂ o los ésteres volátiles producidos por la podredumbre de la fruta—se difunden en pequeños poros en la sensila y se unen a los receptores correspondientes en las neuronas olfatorias. Luego, las neuronas envían señales por el sensillum y hacia el cerebro. Aunque no tenemos antenas, ocurre un proceso análogo en tu propia nariz cuando te inclinas para percibir un olorcillo de comida deliciosa o retrocedes ante los malos olores.

En las moscas de la fruta, mientras que la mayoría de los olores activan alrededor de 20 tipos diferentes de neuronas sensoriales a la vez, el CO₂ es inusual en el sentido de que solo activa un solo tipo. Utilizando una combinación de análisis genético e imágenes funcionales, los investigadores del laboratorio de Hong descubrieron que los cables de salida, o axones, del CO₂ Las neuronas olfativas sensibles en realidad pueden hablar con otros canales neuronales olfativos, específicamente, las neuronas que detectan ésteres, moléculas que huelen particularmente delicioso para una mosca de la fruta.

However, this olfactory crosstalk depends on the timing of CO₂ cues. When CO₂ is detected in fluctuating pulses, such as a wind-borne cue from a distant food source, the CO₂ -sensing olfactory channel sends a message to the channels encoding esters, signaling to the brain that delicious food is upwind. However, if CO₂ is continually elevated in the local environment, for instance from a rotting log, this crosstalk is quickly shutoff, and the CO₂ -sensitive neurons signal directly to the brain to avoid the source.

This is the first time that olfactory neurons have been shown to talk to one another between their axons, processing incoming information before these signals ever reach the brain. The results cut against the prevailing dogma in neuroscience that information processing is limited to the integration of inputs by neurons; the new findings show that signals are reformatted at the output end as well.

The scientists also discovered that how flies behave toward CO₂ also depends on the timing of CO₂ señales "We found that the behavior of the animal is affected by the temporal structure of the CO₂ signal," says Hong. "When the fly walks into a cloud of elevated CO₂ , it tends to turn away from the direction it was traveling. But in an environment where CO₂ is pulsing, the fly will run upwind toward the source of the odor. This difference in how flies behave toward fluctuating CO₂ , versus sustained CO₂ , parallels the dependence of the crosstalk from the CO₂ -sensing neurons to attraction-promoting food-sensing neurons."

Understanding fruit fly olfaction, particularly with respect to sensing CO₂ , is a long-standing goal for Caltech researchers. Decades ago, researchers in the laboratory of David Anderson— Seymour Benzer Professor of Biology; Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience Leadership Chair; Investigator, Howard Hughes Medical Institute; director, Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience—discovered that flies avoid CO₂ as a chemical indicating an overcrowded environment. But recently, researchers in the lab of Michael Dickinson—Esther M. and Abe M. Zarem Professor of Bioengineering and Aeronautics and executive officer for Biology and Biological Engineering—discovered that flies can also be attracted to CO₂ , when using it to sniff out a source of food.

"Our work builds on these prior studies and provides one possible neural solution for how CO₂ could be triggering opposing behaviors in flies in varying contexts. It has been a highlight of having my lab at Caltech to have the opportunity to directly interact with David's and Michael's labs and discuss the connections between our work and theirs," says Hong.

The next major question is to understand how these parallel olfactory axons are talking to one another. The team ruled out most forms of classical chemical transmission that neurons use to communicate, and the mechanisms by which olfactory neurons are able to send and receive messages between their axons are mysterious. Solving this problem may provide new insights into how animal brains detect and process sensory information. + Explora más

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