多巴胺信号传导使神经回路产生协调行为

对于线虫而言，它所吃细菌的大草坪是分散卵子的好地方，这样每个孵化的卵都可以进入营养环境。这就是为什么当蠕虫在食物贴片上快速漫游时，它有条不紊地产卵的原因。麻省理工学院的皮克尔学习与记忆研究所的神经科学家进行的一项新研究调查了这种动作协调的例子-产卵与动物的漫游有关-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，尽管以不同的方式。

科学家指出，“所有动物都表现出出色的协调各种运动程序的能力，但是人们对这种协调机制的大脑机制却知之甚少，”包括麻省理工学院脑部李斯特兄弟职业发展助理教授史蒂芬·弗拉韦尔在内的科学家们指出。认知科学。

Flavell实验室成员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主要作者。

新的成像平台

为了研究动物如何协调他们的运动程序，Flavell的团队发明了一个新的显微镜平台，能够连续数小时或数天拍摄清晰，高帧率的线虫视频。在定制软件的引导下，示波器自动跟踪蠕虫，使研究人员可以收集有关每只动物行为的信息。该团队还编写了机器视觉软件，以从这些视频中自动提取有关秀丽隐杆线虫运动程序的信息-运动，进食，产卵等，从而产生了每只动物行为输出的近乎全面的图像。Flavell说，瞄准镜零件成本约为3,000美元，可以使用该团队的在线教程在一两天内进行组装。他们已经免费在线发布了该软件和系统软件。这些显微镜的价格可承受性和灵活性应使其可用于生物学中的许多不同应用。

通过使用该系统然后分析数据，Flavell的团队能够首次识别出涉及多个运动动作协调的多种线虫行为模式。Flavell说，该系统和随后的分析得出的一个见解是，经过深入研究的线虫(科学上称为线虫)比常规假设的行为状态更为鲜明。例如，研究发现，先前基于动物停留状态定义的被称为“居住”的行为状态实际上由多个不同的亚状态组成，可以使用这种新的成像方法轻松识别。

多巴胺协调的行为

但是，从分析中得出的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产下的卵比在居住时蠕虫产下的卵更多。这可能使动物在营养环境中完全分散卵。先前的工作已经仔细地定义了控制该动物运动和产卵的两个马达电路。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在一起。事实证明，它依赖于神经递质多巴胺，多巴胺在包括人在内的所有动物中都丰富。

他们首先敲除各种神经递质和其他大脑调节分子的基因。其中许多候选物，例如5-羟色胺，以重要的方式影响了动物的行为，但并没有破坏漫游和产卵的这种联系。直到团队敲除了产生多巴胺所需的一种名为cat-2的基因时，蠕虫才不再在漫游时增加产卵量。值得注意的是，它不会影响居家中产卵的速度，这表明没有多巴胺的蠕虫在处于其他行为状态时仍能够正常产卵。

该团队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。光遗传学是一种技术，该技术可使神经元的活动通过闪光来开启或关闭。在这些实验中，他们了解到，仅在动物处于漫游状态时，突然关闭多巴胺能神经元才能减少卵子的产生，但是激活这些神经元可以驱使动物开始卵子的产生，即使在卵子步伐加快的情况下也是如此。通常较低。