想像一下，你住在一家麵包店的對面。有時你很餓，因此當香味飄過你的窗戶時，你會受到誘惑。然而，其他時候，飽腹感使你不感興趣。有時蹦蹦跳跳地去美餐一頓，但看到你那令人唾棄的前夫就在那裡又不想吃了。這一切哦對敖明，你的大腦在決定你會做什麼時平衡了許多影響因素。

麻省理工學院的一項新研究詳細介紹了這一方法在一種更簡單的動物身上的應用實例。它強調了一個潛在的基本原則，即神經系統如何整合多種因素來指導尋找食物的行為。

所有的動物都面臨著在製定行為時權衡不同的感官線索和內部狀態的挑戰，但科學家們對這一情況的實際發生知之甚少。為了深入了解，位於皮考爾學習和記憶研究所的研究小組轉向了秀麗隱桿線蟲，其明確的行為狀態和只有302個細胞神經系統使這個複雜的問題至少是可操作的。他們通過一個案例研究發現，在一個名為AWA的關鍵嗅覺神經元中，許多狀態和感覺信息的來源匯聚在一起，獨立地節制著一個關鍵氣味受體的表達。它們對該受體豐度的影響的整合，然後決定了AWA如何指導四處漫遊尋找食物。

“在這項研究中，我們根據動物所經歷的持續狀態和刺激，剖析了控制單個嗅覺神經元中單個嗅覺受體水平的機制，”資深作者、麻省理工學院腦與認知科學系李斯特兄弟副教授史蒂文·弗拉維爾說。”了解這種整合如何在一個細胞中發生，將為它如何在其他蠕蟲神經元和其他動物中普遍發生指明方向。”

麻省理工學院博士後Ian McLachlan領導了這項研究，該研究最近發表在eLife雜誌上，該團隊在開始時並不一定知道他們會發現什麼。

事實上，麥克拉克蘭、弗拉維爾和他們的團隊並沒有專門去尋找神經元AWA或被稱為STR-44的特定嗅覺化學感受器。相反，這些目標是從他們收集的無偏見的數據中出現的，當時他們研究了當蠕蟲在三小時內不進食時與進食充足時相比哪些基因的表達變化最大。作為一個類別，許多化學感覺受體的基因顯示出巨大的差異。事實證明，AWA是一個擁有大量此類上調基因的神經元，而兩個受體STR-44和SRD-28在這些基因中顯得尤為突出。

僅這一結果就表明，內部狀態（飢餓）影響著感覺神經元中受體的表達程度。麥克拉克蘭和他的合著者隨後能夠表明，STR-44的表達也會根據壓力化學品的存在、各種食物的氣味以及蠕蟲是否得到了吃食物的好處而獨立變化。由共同第二作者Talya Kramer（一名研究生）領導的進一步測試揭示了哪些氣味會觸發STR-44，使研究人員隨後能夠證明AWA內STR-44表達的變化如何直接影響食物的尋求行為。還有更多的研究確定了這些不同的信號進入AWA的確切分子和電路手段，以及它們如何在細胞內作用以改變STR-44的表達。

例如，在一個實驗中，麥克拉克蘭和弗拉維爾的團隊表明，雖然餵養的和飢餓的蠕蟲都會朝著受體最喜歡的氣味蠕動，如果這些氣味足夠強烈的話，但只有飢餓的蠕蟲（表達更多的受體）可以檢測到更微弱的濃度。在另一個實驗中，他們發現，儘管飢餓的蠕蟲在到達食物源時將放慢速度進食，即使吃飽的蠕蟲在旁邊游弋，但他們可以通過人為地過度表達STR-44使吃飽的蠕蟲表現得像飢餓的蠕蟲。這樣的實驗證明STR-44的表達變化對尋找食物有直接影響。

其他實驗顯示了多種因素對STR-44的拉動。例如，他們發現，當他們添加一種化學品使蠕蟲受到壓力時，即使在飢餓的蠕蟲中也會降低STR-44的表達。後來他們發現，同樣的應激物抑制了蠕蟲向STR-44所反應的氣味蠕動的衝動。因此，就像你可能會避免跟隨你的鼻子去麵包店，即使在飢餓的時候如果你看到你的前任在那裡，會權衡壓力來源和飢餓感。該研究顯示，它們這樣做是基於這些不同的線索和狀態如何拉動AWA中STR-44的表達。

其他幾個實驗研究了蠕蟲的神經系統將感覺、飢餓和主動進食線索帶到AWA的途徑。技術助理Malvika Dua幫助揭示了其他食物感應神經元如何通過胰島素信號和突觸連接來影響STR-44在AWA的表達。關於蠕蟲是否正在積極進食的線索來自腸道中的神經元，這些神經元使用一種叫做TORC2的分子營養傳感器。這些，以及壓力檢測途徑，都作用於FOXO，它是基因表達的調節器。換句話說，所有影響STR-44在AWA中表達的輸入都是通過獨立推拉同一個分子槓桿來實現的。

像胰島素和TORC2這樣的途徑不僅存在於其他蠕蟲的感覺神經元中，而且也存在於包括人類在內的許多其他動物。此外，在更多的神經元中，感覺受體因禁食而上調，而不僅僅是AWA。這些重疊表明，他們在AWA中發現的整合信息的機制很可能在其他神經元中發揮作用，也許在其他動物中也是如此。

這項研究的基本見解可能有助於為研究通過TORC2的腸道-大腦信號如何在人體內發揮作用提供信息。這正在成為優雅動物中腸道到大腦信號傳遞的主要途徑，希望它最終將對人類健康具有轉化意義。