動物大腦將氣味刺激提煉成神經(jīng)信號的發(fā)現(xiàn)為滅蚊策略提供新思路

蚊科，是昆蟲綱雙翅目之下的一個科。該科生物通常被稱為蚊或蚊子，是一種具有刺吸式口器的纖小飛蟲。

雌性 Aedes aegypti 蚊^[1]
蚊子的后翅進化為帶有很多感受器的平衡棒，幫助其靈活地飛行。這就是為啥即使你在耳邊真實地感受到蚊子地“嗡嗡”聲，一個巴掌下去，留下地卻只有鮮紅的手印。
▐  蚊子的 Kiss，奇癢無比
大家都有享受過蚊子的親昵，豈是一個 ”癢” 字可解？蚊子包上劃十字，是不是苦 B 兮兮的你！

被蚊子咬了，為什么會癢？因為蚊子吸了你的血，并向你吐了口水，注入唾液。

蚊子的唾液中含有蟻酸、抗凝血劑等等，引起人體的過敏反應，造成奇癢和紅腫。不過不必慌張，一般來說，不撓的話忍忍就過去了。

▐  蚊子≠吸人血

首先，并非所有的蚊子都咬人，蚊子分雌雄，絕大多數(shù)蚊科的雄蚊以植物汁液為食，雌蚊則外寄生于其他生物表面，使用刺吸式口器刺穿宿主的皮膚以吸取血液。它為雌性提供產(chǎn)卵所需的蛋白質(zhì)[1]。

其次，蚊子的宿主成千上萬，主要為脊椎動物，如哺乳動物、鳥類、爬行動物、兩棲動物、魚類等。3500 多種蚊子中大多是有什么咬什么，僅有約 10 種蚊子，哎嘿，它就只稀罕人，也正是因此，傳播了人類大多數(shù)的疾病。

▐  蚊媒疾病

蚊子是數(shù)百種致病病毒的吸血媒介，這些病毒是人類疾病的病原體。幼年蚊子通過吸血從受感染的宿主身上獲得病毒，然后在蚊子的組織中廣泛繁殖。這只蚊子隨后成為病毒儲存器，并有能力通過下一次吸血將病毒傳播給幼年脊椎動物宿主[1]。

問題來了，專 “稀罕”人的蚊子是怎么能夠準確地區(qū)分人和動物的呢？
通過氣味。研究表明，蚊子的大腦編碼了人類氣味的獨特特征。

Zhilei Zhao 等人在 Nature 雜志發(fā)表題為“Mosquito brains encode unique features of human odour to drive host seeking”的文章，發(fā)現(xiàn)動物大腦可能會將先天性的復雜氣味刺激提煉成簡單的神經(jīng)信號，并為設(shè)計下一代滅蚊策略提供新的思路[2]。

▐  埃及伊蚊對人類氣味的偏好

埃及伊蚊 (Aedes aegypti) 是多種節(jié)肢動物傳播病毒疾病，如登革熱 (Dengue) 和寨卡病毒 (Zika) 的主要媒介，是媒介生物學中一種常見的實驗室模型。  

通過對雌性埃及伊蚊的研究發(fā)現(xiàn)，它們嚴重依賴體味來區(qū)分物種，并且對人類氣味的偏好比非人類動物（以下簡稱“動物”）的氣味更強 (圖 1)。

圖 1. 在無選擇 (a、b) 和選擇 (c、d) 嗅覺試驗中，雌性埃及伊蚊對人類和動物氣味的反應^[2]。 

條形圖 (或圓圈) 和線條代表 β 二項式混合模型的平均值和 95％ 置信區(qū)間 (n=9-14 次試驗/處理，平均分布在 6 個人、2 只大鼠、2 只豚鼠、1 只鵪鶉、1 只綿羊的羊毛和 4 只狗的毛發(fā)中)。在沒有人類或動物氣味的情況下，對呼出的人類氣息 (a，頂部)、合成 CO₂ (b，頂部) 或未佩戴的對照袖套 (b，頂部第二) 的反應最小。

▐  人類和動物氣味的收集

于是，作者便著手于收集人和動物真實的氣味，通過使用一種特殊的收集管，管中有很多的多聚物，當氣體通過的時候，氣味分子就會被吸附在多聚物上，以此來收集人和動物的氣味。

共采集了人類、大鼠、豚鼠、鵪鶉、羊毛、狗毛的氣味樣本，以及兩種蚊子喜歡的花蜜相關(guān)刺激物——馬利筋花 Milkweed 和蜂蜜 Honey (圖 2a)。并通過氣味遞送系統(tǒng)，將天然提取物直接從吸附劑管遞送到蚊子體內(nèi)，并進行精確的定量控制 (圖 2)。

圖 2. 氣味采樣收集示意圖^[2]。 

a. 活體動物/植物 Milkweed (上)、人類 (中) 和動物毛發(fā)/蜂蜜 Honey (下) 的氣味采樣設(shè)置。用于輸送復雜氣味樣品的兩級熱解吸示意圖。b. 樣品通過緩慢加熱和氮氣流從收集管轉(zhuǎn)移到充滿吸附劑的聚焦阱中。然后對聚焦阱進行彈道加熱（在約 3 秒內(nèi)升至 220°C）以在短時間內(nèi)釋放樣品。氣味流在此過程中冷卻至室溫，并分裂成可調(diào)節(jié)的比例流向蚊子，而其余部分則可以被收集起來。

 

▐  動物模型：CRISPR/Cas9 轉(zhuǎn)基因蚊子

科研“汪”們都清楚，一旦做到動物實驗，必然繞不開動物模型。

作者利用 CRISPR/Cas9 生成了敲入蚊子，這些蚊子在 orco 基因座的內(nèi)源性控制下表達鈣指示劑 GCaMP6f (一種基因編碼鈣離子指示劑，鈣離子熒光探針，能夠指示鈣離子濃度的大小) (圖 3a)。

圖 3. CRISPR/Cas9 轉(zhuǎn)基因蚊子標記示意圖^[2]。 

a. 基因靶向策略用于驅(qū)動 orco⁺ 感覺神經(jīng)元中的 GCaMP6f 表達，同時保留 orco功能。b. orco-T2A-QF2-QUAS-GCaMP6f 成年雌性大腦的抗體染色，放大觸角葉（右上）并對 ~34 orco⁺（綠色）和 ~20 orco^-（洋紅色）腎小球（右下）進行 3D 重建。比例尺，100 μm。

 

轉(zhuǎn)基因蚊子在觸角和上顎須上的感覺神經(jīng)元中表現(xiàn)出 GCaMP6f 表達，這些神經(jīng)元投射到背內(nèi)側(cè)觸角葉的腎小球中，可捕捉所有 orco+ 腎小球中由氣味引起的反應(圖 3b)。

這樣一來，便成功標記了神經(jīng)系統(tǒng)，且對行為的影響很小。

 

蚊子的嗅覺：
蚊子的嗅覺很靈敏，其通過散布在觸角和上頜觸須上的數(shù)千個嗅覺感覺神經(jīng)元中表達的受體來探測大多數(shù)揮發(fā)性物質(zhì)。當蚊子探測到氣味時，嗅覺感受器被激活，接著表達相同配體特異性受體的神經(jīng)元會將軸突信號傳遞到大腦觸角葉內(nèi)的單個嗅球，進行解讀。

• 表達嗅覺受體 (Odorant receptor, OR) 家族受體的神經(jīng)元子集，在宿主識別中起著關(guān)鍵作用：攜帶保守的 OR 輔助受體 orco 突變的雌性會被宿主吸引。

 

▐  人類氣味會引起獨特的神經(jīng)反應
萬事俱備，上實驗吧！
作者測試了蚊子對 8 個人、3 種動物物種 (共 5 只) 以及兩種花蜜相關(guān)刺激物的氣味反應 (氣味濃度為 1X，大致相當于實時傳給蚊子的整個人體的氣味)。
(1) 空白對照：僅通空氣，無氣味，蚊子大腦幾乎沒有激活。
(2) 其他組別中：

1. 一個腎小球反應被所有三種物種的氣味強烈激活 (藍色箭頭，稱為“廣泛調(diào)節(jié)”B 腎小球)。
2. 一個對人類氣味反應強烈，但對動物不敏感或僅微弱敏感 (綠色箭頭，稱為 “人類敏感”H 腎小球)。

3. 第三個腎小球被兩種動物強烈激活，但不被人類激活 (橙色箭頭，稱為 “動物敏感” A 腎小球)。

圖 4. 人類和動物的氣味會激活觸角葉球的獨特組合^[2]。

結(jié)果表明，人類和動物的氣味會激活埃及伊蚊觸角葉中不同的腎小球組合，人類氣味會引起其獨特的神經(jīng)反應。

這主要是因為人類混合物含有一系列常見的揮發(fā)性化合物，這些化合物源自皮膚分泌物、皮膚微生物組或它們之間的相互作用。研究發(fā)現(xiàn)，脊椎動物的氣味主要是脂肪醛，而花蜜的氣味則富含萜烯。與動物氣味相比，在人類氣味中甲基庚烯酮(Sulcatone), 香葉基丙酮 (Geranylacetone), 和癸醛 (Decanal) 含量豐富 (圖 5)。

圖 5. 人類和動物的氣味混合物在關(guān)鍵化合物的相對濃度上有所不同^[2]。  

a. 由 Sapienic acid 和角鯊烯(Squalene) 組成的人體皮脂比例。兩種脂質(zhì)的氧化會產(chǎn)生富含人體氣味的揮發(fā)性化合物如 Sulcatone 和 Decanal 等。b. 人類、動物和花蜜相關(guān)刺激物的氣味特征。

 

人皮膚中存在汗腺 (分泌汗液) 和皮脂腺 (分泌油性物質(zhì))，Sapienic acid 和Squalene 是人體皮脂的組成物質(zhì)，體表接觸到空氣后，然后這些物質(zhì)會被氧化分解為 Decanal 和 Sulcatone。而動物氣味中幾乎沒有，因為它們的皮脂并不具備那兩種物質(zhì)。
進一步的實驗發(fā)現(xiàn)，“人類敏感”H 腎小球?qū)θ梭w氣味中 Decanal 的生理濃度有強烈的反應，被人類氣味選擇性激活，而 B 腎小球則對多種天然混合物作出反應。
那么，雌蚊子是否利用這些信號來尋找和識別宿主？
于是，作者合成了一種二元混合物 (1-Hexanol + Decanal)，模擬人類氣味，并在風洞中進行測試，結(jié)果表明其可以在 B 和 H 腎小球中引起類似的強烈活動 (圖 6)。

圖 6. H 的激活增強了宿主尋找行為^[2]。

a. 對 1-己醇、癸醛及其二元混合物的神經(jīng)反應。b. 風洞飛行場地 (Wind-tunnel flight arena)。c. 單只蚊子飛行軌跡示例。

 

人的氣味里面有上百種分子，作者只使用了兩種分子就很好地模擬了它的效果。

試想一下，如果提前在房間搞個捕蚊器，在捕蚊器中置入這兩種物質(zhì)組成的混合氣體，是不是就可以混淆蚊子的嗅覺，睡個安穩(wěn)覺？當然，這也需要進一步的嘗試與研究。

總結(jié)一下！人類的氣味比動物的氣味更能吸引蚊子，因為人的氣味里面癸醛(Decanal) 很多，癸醛可以大量地激活這個對人敏感的嗅小球，而動物的氣味里面癸醛很少，這個嗅小球不被激活，所以蚊子更喜歡人的氣味。所以，嘻嘻，你逃也沒用，你逃，它追，你插翅難飛~不過大家還是可以使用驅(qū)蚊劑，做好防護措施~

 

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4-Decanol 一種抗突變化合物，可以從芥菜葉中分離出來。4-Decanol 可抑制鼠傷寒沙門氏菌 TA100 中 $AFB_1$ 和 MNNG 的誘變活性。

1-Hexanol 一種伯醇，是一種表面活性劑，可用于工業(yè)過程中以增強界面性能。1-Hexanol 通過非質(zhì)子機制解偶聯(lián)線粒體呼吸。

Sulcatone 一種內(nèi)源性代謝產(chǎn)物。

Geranylacetone 一種從阿魏 (Ferula akitschkensis) 莖中分離得到的天然化合物。

Sapienic acid 一種常見于皮膚和粘膜中的脂肪酸，對皮膚和口腔中發(fā)現(xiàn)的革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌具有可變的抗菌活性。Sapienic acid 對血鏈球菌，微生物鏈球菌和核纖梭菌具有活性，其 MBC 值分別為 31.3 μg/mL，375.0 μg/mL 和 93.8 μg/mL。

Squalene 是膽固醇合成的中間產(chǎn)物，具有降血脂、保肝、抗動脈粥樣硬化、心臟保護、抗氧化和抗腫瘤等多種藥理特性。

[1] Fernández-Grandon GM, et al. Heritability of attractiveness to mosquitoes. PLoS One. 2015 Apr 22;10(4):e0122716. 

[2] Zhao Z, et al. Mosquito brains encode unique features of human odour to drive host seeking. Nature. 2022 May;605(7911):706-712.