I moscerini della frutta, la Drosophila melanogaster, hanno una relazione complicata con l'anidride carbonica. In alcuni contesti, CO₂ indica la presenza di gustose fonti di cibo poiché il lievito di fermentazione dello zucchero nella frutta produce la molecola come sottoprodotto. Ma in altri casi, CO₂ può essere un avvertimento per stare alla larga, segnalando un ambiente povero di ossigeno o sovraffollato con troppe altre mosche. In che modo le mosche fanno la differenza?

Ora, un nuovo studio rivela che i neuroni olfattivi della mosca della frutta, quelli responsabili del rilevamento di "odori" chimici come CO₂ — avere la capacità di parlare tra loro attraverso un percorso precedentemente sconosciuto. Il lavoro fornisce informazioni sui processi fondamentali mediante i quali le cellule cerebrali comunicano tra loro e fornisce anche nuovi indizi per risolvere i misteri di vecchia data sui moscerini della frutta e sulla CO₂ .

La ricerca è stata condotta nel laboratorio di Elizabeth Hong (BS '02), assistente professore di neuroscienze e Chen Scholar del Tianqiao e Chrissy Chen Institute for Neuroscience al Caltech. Un articolo che descrive lo studio appare sulla rivista Current Biology il 6 settembre.

"CO₂ è un segnale importante ma complesso che si trova in tutti i tipi di situazioni diverse nell'ambiente naturale e illustra una sfida fondamentale che i neurobiologi devono affrontare per comprendere il cervello:in che modo il cervello elabora lo stesso segnale sensoriale in contesti diversi per consentire all'animale di rispondere in modo appropriato ?" dice Hong. "Affrontiamo questa domanda utilizzando il sistema olfattivo della mosca, uno dei circuiti sensoriali meglio studiati e ben caratterizzati. Eppure, con questa ricerca, abbiamo scoperto un nuovo sorprendente fenomeno nel modo in cui il cervello elabora i segnali sensoriali."

L'olfatto, o il senso dell'olfatto, era il sistema sensoriale originale ad evolversi in tutti gli animali. Sebbene gli esseri umani siano principalmente visivi, la maggior parte degli animali usa l'olfatto come metodo principale per comprendere i loro ambienti:annusare il cibo, evitare i predatori e trovare compagni. I moscerini della frutta sono un modello particolarmente gestibile per comprendere i meccanismi biologici alla base dell'olfatto:un moscerino della frutta ha solo circa 50 diversi recettori odoranti, mentre un essere umano ne ha da 400 a 500 e i topi ne hanno più di mille.

Il "naso" di una mosca sono le sue due antenne. Queste antenne sono ricoperte da peli sottili chiamati sensilla e all'interno di ciascun sensillo si trovano i neuroni olfattivi. Odori, come CO₂ o gli esteri volatili prodotti dalla frutta in decomposizione:si diffondono in minuscoli pori sulla sensilla e si legano ai recettori corrispondenti sui neuroni olfattivi. I neuroni inviano quindi segnali lungo il sensillo e nel cervello. Anche se non abbiamo le antenne, un processo analogo si verifica nel tuo naso quando ti chini per cogliere un odore di cucina deliziosa o ritrarti dai cattivi odori.

Nei moscerini della frutta, mentre la maggior parte degli odori attiva circa 20 diversi tipi di neuroni sensoriali contemporaneamente, CO₂ è insolito in quanto attiva un solo tipo. Utilizzando una combinazione di analisi genetica e imaging funzionale, i ricercatori del laboratorio di Hong hanno scoperto che i cavi di uscita, o assoni, della CO₂ -i neuroni olfattivi sensibili possono effettivamente parlare con altri canali neurali olfattivi, in particolare i neuroni che rilevano gli esteri, molecole che hanno un odore particolarmente delizioso per un moscerino della frutta.

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 signals. "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. + Esplora ulteriormente

Mosquitoes have neuronal fail-safes to make sure they can always smell humans