远离二氧化碳:终端连接。
(上图)斑马鱼对二氧化碳的逃避反应。(中)对二氧化碳排放后的前40毫秒进行近距离观察。(底部)被触摸的快速反应。注意，当被触摸时，鱼已经转身，在12毫秒后开始逃跑，并在40毫秒后离开。相比之下，逃离二氧化碳大约需要800毫秒。就像我们一样，鱼需要氧气，而游泳通过一堆二氧化碳却不是一种愉快的体验。相反，他们更愿意完全避免二氧化碳。在1月30日发表在《细胞报告》(Cell Reports)上的实验中，日本RIKEN脑科学研究所(RIKEN Brain Science Institute)的研究人员发现了一种使这种行为成为可能的神经通路。
高浓度的二氧化碳是危险的。许多动物都有内在的逃避行为，当有必要时，人们甚至会经历恐惧和恐慌，因为太多的二氧化碳在空气中。为了了解这些类型的反应背后的神经生物学，RIKEN的研究小组求助于斑马鱼，因为这些动物的幼虫很容易识别出它们的行为特征，因为它们的透明的大脑使得神经细胞的活动成为轻而易举的事。
当被触摸到头部时，幼体斑马鱼会有快速反应;他们在10毫秒内以刻板的模式逃跑。“相比之下，”研究报告的主要作者Tetsuya Koide说，“我们发现他们对二氧化碳的回避反应发生在大约4-5秒之后，大约是400到500倍。”此外，鱼类为避免二氧化碳而采取的逃生路线比它们对被触碰的反应要多变得多，它们以更慢的速度游走。所有这些差异都指向了大脑中未知的感觉-反应通路。
为了确定负责的途径，研究人员使用了转基因斑马鱼专门为钙成像。这种技术通过基因表达对钙敏感的荧光蛋白来可视化大脑活动，钙是一种参与神经信号传递的关键分子。研究小组能够看到大脑中对二氧化碳的一系列反应，最早出现在嗅球——大脑中处理哺乳动物气味的部分。几秒钟后，他们看到了三叉神经感觉神经的反应，这是一种能从脸上带来触摸和疼痛感觉的神经。最后的反应来自于habenula- - -大脑中已知的与不愉快经历有关的部分。
为了确定这三种系统中哪一种对二氧化碳的反应是必需的，研究小组用激光将它们分别移除。他们发现，对三叉神经通路和鼻子的损害只会影响对二氧化碳的反应。这有点令人吃惊，因为破坏嗅觉通道本身并没有改变回避行为。“这意味着鼻子中的非嗅觉成分对于避免二氧化碳是至关重要的，”Koide解释说。
接下来的研究小组想要确定鼻子中是如何感知二氧化碳的。斑马鱼鼻子的钙成像显示了一簇细胞对二氧化碳的反应。实验表明，这些细胞是神经末梢神经的一部分，也被称为脑神经零，它们的去除阻止了对二氧化碳的回避反应。因此，斑马鱼的鼻子包含了与嗅觉无关的末端神经化学传感器，它可以控制对有害化学物质的行为反应。
“我们惊奇地发现，在斑马鱼中，末端神经充当二氧化碳传感器，”小池说。尽管在一个多世纪以前，它被认为是人类和其他脊椎动物的一种额外的颅神经，但我们是第一个报告它在化学感觉中的作用的。事实上，神经末梢神经被认为在生殖行为中起作用，因为它产生促性腺激素释放激素，这是一种主要的激素，反过来又刺激生殖激素的产生。
“当人类和其他脊椎动物也拥有末端神经系统时，”Koide继续说，“我们下一个希望进一步描述它在不同物种(包括人类)之间的化学感觉功能。”