แบบจำลองแมลงหวี่เพื่อศึกษาจุลินทรีย์ในลำไส้ในด้านพฤติกรรมและโรคทางระบบประสาท ตอนที่ 1

เชิงนามธรรม:

หลักฐานที่เพิ่มขึ้นบ่งชี้ว่าจุลินทรีย์ในลำไส้เชื่อมโยงกับกระบวนการทางสรีรวิทยาหลายอย่างและการพัฒนาโรคในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม อย่างไรก็ตามกลไกเบื้องหลังยังคงไม่ได้รับการสำรวจส่วนใหญ่เนื่องมาจากความซับซ้อนของไมโครไบโอมในลำไส้ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม แมลงวันผลไม้ Drosophila melanogaster เป็นแบบจำลองสัตว์ที่มีคุณค่าสำหรับการศึกษาปฏิกิริยาระหว่างกันของจุลินทรีย์ในโฮสต์และลำไส้ในด้านการแปล

สัตว์และความทรงจำเป็นความสัมพันธ์ที่น่าสนใจมาก ตั้งแต่ความภักดีของสุนัขไปจนถึงความฉลาดของหนู ความทรงจำของสัตว์กลายเป็นเรื่องที่น่าสงสัยและอยากรู้อยากเห็นมานานแล้ว แม้ว่าสัตว์ต่างๆ จะมีความสามารถในการจดจำได้ดีต่างกันไป แต่ความทรงจำของพวกมันก็เชื่อได้ว่าสัตว์ไม่เพียงแต่มีสัญชาตญาณที่แข็งแกร่งในการดูแลตัวเองเท่านั้น แต่ยังสามารถเรียนรู้จากประสบการณ์ได้อีกด้วย ซึ่งบ่งบอกว่าความทรงจำเป็นสิ่งสำคัญ

ประการแรก สุนัขและแมวเป็นสัตว์เลี้ยงสองชนิดที่เหมาะสมที่สุดสำหรับให้คนเลี้ยง พวกเขาทุกคนฉลาดมากและมีความทรงจำที่ดีมาก พวกเขาสามารถจดจำกลิ่นและเสียงของเจ้าของและสิ่งแวดล้อมและยังสามารถแสดงอารมณ์ผ่านพฤติกรรมบางอย่างได้อีกด้วย พลังของความทรงจำนี้สะท้อนให้เห็นในความสามารถของสุนัขและแมวในการตามหาเจ้าของที่สูญหายไป แม้ว่าเจ้าของจะจากไปนานแล้วตราบใดที่ยังมีสถานที่และกลิ่นที่สามารถระบุได้พวกเขาก็จะทำการค้นหาต่อไป

ประการที่สอง หนูก็เป็นสัตว์ชนิดหนึ่งที่มีไอคิวสูงเป็นพิเศษ ความทรงจำของหนูดีกว่าที่คิดไว้มาก พวกเขาสามารถจำได้ว่าพวกเขากำลังจะไปที่ไหน อาหารอยู่ที่ไหน และอาณาเขตของพวกเขา และยังสามารถจดจำและจดจำผู้คนหรือสัตว์ที่เป็นอันตรายต่อพวกเขาได้ การทดลองของนักวิจัยบางคนพบว่าหนูยังรับรู้และตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมผ่านดนตรีและเสียง ซึ่งแสดงให้เห็นว่าความทรงจำของสัตว์รวมถึงความฉลาดทางประสาทสัมผัส อารมณ์ และตรรกะ

โดยทั่วไปแล้ว ความทรงจำของสัตว์ต่างๆ นำมาซึ่งความประหลาดใจและการค้นพบมากมายให้กับผู้คน พวกมันไม่เพียงแต่สามารถปกป้องตัวเองได้เท่านั้น แต่ยังสามารถสร้างความไว้วางใจและความสัมพันธ์ที่ใกล้ชิดกับมนุษย์ได้อีกด้วย นอกจากนี้ สัตว์ต่างๆ ยังสร้างแรงบันดาลใจให้กับการทดลองและการศึกษาต่างๆ มากมายที่ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจธรรมชาติและกลไกของความทรงจำได้ดีขึ้น ดังนั้น เรามาชื่นชมความฉลาดและความทรงจำของสัตว์ต่างๆ และประหลาดใจกับสมองที่ฉลาดและยืดหยุ่นของพวกมัน จะเห็นได้ว่าไม่ว่าจะเป็นคนหรือสัตว์ความทรงจำก็มีความสำคัญมาก Cistanche สามารถปรับปรุงความจำของเราได้อย่างมากเพราะ Cistanche เป็นสมุนไพรจีนโบราณที่มีลักษณะพิเศษมากมาย หนึ่งในนั้นคือการปรับปรุงความจำ ประสิทธิภาพของเนื้อสับมาจากส่วนผสมออกฤทธิ์หลายชนิดในเนื้อสับ เช่น กรดคาร์บอกซิลิก โพลีแซ็กคาไรด์ ฟลาโวนอยด์ ฯลฯ ส่วนผสมเหล่านี้สามารถส่งเสริมสุขภาพสมองได้ผ่านช่องทางต่างๆ

คลิกหน่วยความจำระยะสั้นเกี่ยวกับวิธีการปรับปรุง

ความพร้อมของเครื่องมือและทรัพยากรทางพันธุกรรมอันทรงพลังในดรอสโซฟิล่าทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเปิดเผยกลไกที่จุลินทรีย์ในลำไส้ส่งผลต่อสมรรถภาพ สุขภาพ และพฤติกรรมของโฮสต์ของพวกมัน

แบบจำลองดรอสโซฟิล่าถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางไม่เพียงแต่เพื่อศึกษาพฤติกรรมของสัตว์ (เช่น การเกี้ยวพาราสี ความก้าวร้าว การนอนหลับ และการเรียนรู้และความจำ) แต่ยังรวมไปถึงโรคทางระบบประสาทที่เกี่ยวข้องกับมนุษย์ด้วย (เช่น โรคอัลไซเมอร์ และโรคพาร์กินสัน) ในอดีต การทบทวนนี้สรุปความเข้าใจปัจจุบันเกี่ยวกับจุลินทรีย์ในลำไส้ของดรอสโซฟิล่าอย่างครอบคลุม และผลกระทบต่อพฤติกรรมของแมลงวัน สรีรวิทยา และโรคเกี่ยวกับความเสื่อมของระบบประสาท
คำสำคัญ:

แมลงหวี่ melanogaster; ไมโครไบโอต้า; แกนลำไส้-สมอง; พฤติกรรม; การเรียนรู้และความจำ โรคทางระบบประสาท

1. บทนำ
แมลงวันผลไม้ Drosophila melanogaster เป็นสัตว์ทดลองที่สำคัญที่ใช้ในการศึกษาทางชีวการแพทย์ แมลงวันผลไม้ถูกใช้เป็นสิ่งมีชีวิตทดลองครั้งแรกโดยคาสเซิลในปี พ.ศ. 2444 และมอร์แกนในปี พ.ศ. 2452 เพื่อการศึกษาทางพันธุกรรม เนื่องจากดรอสโซฟิล่าถูกใช้เป็นสิ่งมีชีวิตต้นแบบมานานกว่าศตวรรษ จึงมีการพัฒนาเทคนิคหลายอย่างเพื่อตอบคำถามทางวิทยาศาสตร์โดยเฉพาะ

แมลงหวี่มีอายุขัยค่อนข้างสั้นและมีพฤติกรรมที่ซับซ้อน ความพร้อมของเครื่องมืออันทรงพลังสำหรับการดัดแปลงทางพันธุกรรมในเนื้อเยื่อหรืออวัยวะเฉพาะทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษากลไกระดับโมเลกุลที่ควบคุมพฤติกรรมของดรอสโซฟิล่า เช่น การตอบสนองแบบปรับตัวต่อสภาพแวดล้อมโดยรอบ รวมถึงการเกี้ยวพาราสีโดยธรรมชาติ (การเกี้ยวพาราสี การรุกราน การนอนหลับ ฯลฯ) [1 –3] และพฤติกรรมการเรียนรู้ (การจำกลิ่นและความจำการเกี้ยวพาราสี) [4–6]

ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา แมลงหวี่ถูกนำมาใช้เป็นแบบจำลองในสิ่งมีชีวิตในอุดมคติสำหรับการศึกษาโรคที่เกิดจากความเสื่อมของระบบประสาท เช่น โรคอัลไซเมอร์ (AD) และโรคพาร์กินสัน (PD) [7,8] เส้นทางการส่งสัญญาณที่โดดเด่นที่ควบคุมการเจริญเติบโตของเซลล์ประสาทและการทำงานของมนุษย์นั้นได้รับการอนุรักษ์ไว้ในดรอสโซฟิล่า ทำให้สามารถใช้สิ่งมีชีวิตแบบจำลองนี้ในการศึกษาโรคทางระบบประสาทของมนุษย์ได้

ตัวอย่างเช่น แบบจำลองแมลงหวี่ของ AD ที่พัฒนาขึ้นโดยการแสดงโปรตีน A 42 ของมนุษย์ในสมองของแมลงวันโดยแสดงอาการทางคลินิกที่เกี่ยวข้องกับผู้ป่วย AD เช่น ความบกพร่องทางความจำระยะสั้นขึ้นอยู่กับอายุ การเรียนรู้บกพร่อง ความตื่นตัวที่เพิ่มขึ้น และการหยุดชะงักในการนอนหลับ [8 ,9]. สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าดรอสโซฟิล่าสามารถใช้เป็นแบบจำลองในอุดมคติ ในร่างกาย สำหรับการคัดกรองยาใหม่สำหรับการรักษาโรค AD

หลักฐานที่เพิ่มขึ้นสนับสนุนแนวคิดที่ว่าจุลินทรีย์ในลำไส้ที่มีความสมดุลมีความสำคัญต่อสุขภาพของมนุษย์ [10,11] การแทรกแซงองค์ประกอบของจุลินทรีย์ในลำไส้อาจส่งผลเสียต่อสุขภาพและสรีรวิทยาของโฮสต์ นำไปสู่โรคทางระบบประสาทต่างๆ เช่น พฤติกรรมผิดปกติ โรคเกี่ยวกับระบบประสาทเสื่อม และความผิดปกติของระบบประสาทจิตเวช [12-14]

การศึกษาพบว่าแบคทีเรียในลำไส้สามารถผลิตสารสื่อประสาทได้หลายชนิด รวมถึงโดปามีน กรดแกมมา-อะมิโนบิวทีริก (GABA) และเซโรโทนิน [15] นอกจากนี้ crosstalk แบบสองทิศทางระหว่างลำไส้และระบบประสาทส่วนกลาง (CNS) จะถูกสื่อผ่านจุลินทรีย์ในลำไส้ [16,17] การศึกษาล่าสุดระบุว่าการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของจุลินทรีย์ในลำไส้เกี่ยวข้องกับโรคทางระบบประสาทบางอย่าง [18–20]

อย่างไรก็ตาม กลไกโดยละเอียดว่าแบคทีเรียในลำไส้ควบคุมการลุกลามของโรคอย่างไรโดยมีอิทธิพลต่อการสื่อสารตามแนวแกนลำไส้และสมองจำเป็นต้องมีการตรวจสอบเพิ่มเติม

ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา การศึกษาจุลินทรีย์ในลำไส้ส่วนใหญ่ใช้แบบจำลองของสัตว์ฟันแทะเพื่อตรวจสอบบทบาทของแกนของจุลินทรีย์ในลำไส้และสมอง อย่างไรก็ตาม สิ่งมีชีวิตอเนกประสงค์อย่างดรอสโซฟิล่า เป็นรูปแบบการวิจัยที่ทรงพลังซึ่งช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถตรวจสอบกลไกที่จุลินทรีย์ในลำไส้ส่งผลต่อการทำงานของสมอง (รูปที่ 1a,b) จุลินทรีย์สามารถติดแท็กทางพันธุกรรมด้วยโปรตีนเรืองแสง ดังนั้นจึงสามารถมองเห็นการแพร่กระจายของพวกมันในระบบย่อยอาหารของดรอสโซฟิล่าได้ (รูปที่ 1c) [21,22]

รูปที่ 1 การเปรียบเทียบระบบย่อยอาหารของมนุษย์กับดรอสโซฟิล่า (ก) ระบบทางเดินอาหารของมนุษย์และแมลงหวี่ บริเวณการทำงานของระบบทางเดินอาหารในดรอสโซฟิล่าและมนุษย์มีความคล้ายคลึงกัน ได้แก่ หลอดอาหาร ลำไส้ส่วนหน้าและส่วนหลัง (ลำไส้เล็ก) ลำไส้ใหญ่ (ลำไส้หลัง) และกระเพาะอาหาร (ครอบตัด) (b) บริเวณย่อยของระบบย่อยอาหารดรอสโซฟิล่าที่แสดงส่วนหน้า ลำไส้ส่วนกลาง และลำไส้หลัง

Foregut มีพืชผลและโปรวองตริคูลัส ลำไส้จะถูกแบ่งเพิ่มเติมออกเป็นบริเวณ R1-R5 ( c ) แลคโตบาซิลลัสที่ติดแท็ก GFP ถูกป้อนให้กับดรอสโซฟิล่าผู้ใหญ่และภาพคอนโฟคอลแสดงการกระจายของแลคโตบาซิลลัส (สีเขียว) ในบริเวณต่าง ๆ ของระบบทางเดินอาหาร รูปภาพที่ขยายของการครอบตัด ขอบเขต R2, R4 และ R5 จะแสดงใน c1 ถึง c4 ตัวอย่างได้รับภูมิคุ้มกันด้วยแอนติบอดีต่อต้านอินทิกริน-PS (สีแดง) สเกลบาร์ 500 µm

2. พฤติกรรมโดยธรรมชาติของแมลงหวี่
เชื่อกันว่าพฤติกรรมโดยธรรมชาติมีการเดินสายไฟในสมองของสัตว์และมีการเข้ารหัสทางพันธุกรรม และไม่จำเป็นต้องมีประสบการณ์มาก่อนจึงจะสามารถดำเนินการได้อย่างเหมาะสม พฤติกรรมโดยกำเนิดสามารถปรับตัวให้เข้ากับสภาพภายในของสัตว์และสภาพแวดล้อมภายนอกได้อย่างมาก ซึ่งช่วยให้สัตว์ปรับเปลี่ยนพฤติกรรมตามสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันได้ [23]

แมลงหวี่เป็นแบบจำลองสัตว์ที่ดีเยี่ยมสำหรับการศึกษากลไกระดับโมเลกุลของพฤติกรรมโดยกำเนิดของมนุษย์ เนื่องจากมีฟีโนไทป์พฤติกรรมบางอย่างที่คล้ายคลึงกันระหว่างแมลงวันกับมนุษย์ ในดรอสโซฟิล่า มีการศึกษาพฤติกรรมโดยธรรมชาติหลายอย่าง เช่น พฤติกรรมการผสมพันธุ์ พฤติกรรมก้าวร้าว การนอนหลับ/การเคลื่อนไหว และพฤติกรรมที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิ [3,24–28]

นอกจากนี้ จีโนมของดรอสโซฟิล่ามีความคล้ายคลึงกับของมนุษย์ประมาณ 60% และยีนที่เกี่ยวข้องกับโรคของมนุษย์ประมาณ 75% ก็มีความคล้ายคลึงกันในแมลงวันด้วย [29] ตัวอย่างเช่น ในพฤติกรรมการนอนหลับ การส่งสัญญาณโดปามีนควบคุมความตื่นตัวไม่เพียงแต่ในแมลงหวี่เท่านั้น แต่ยังรวมถึงในมนุษย์ด้วย [30] ในที่นี้ เราแนะนำพฤติกรรมโดยกำเนิดของดรอสโซฟิล่าที่สำคัญบางประการ และหารือเกี่ยวกับความสัมพันธ์ของพวกมันกับจุลินทรีย์ในลำไส้ (ตารางที่ 1)

2.1. จุลินทรีย์ในลำไส้และพฤติกรรมการผสมพันธุ์

พฤติกรรมการผสมพันธุ์ในดรอสโซฟิล่าตัวผู้ประกอบด้วยขั้นตอนต่างๆ ได้แก่ การเคลื่อนตัวเข้าหาตัวเมีย (ทิศทาง) การไล่ตามตัวเมีย (ตามมา) การสัมผัสหน้าท้องของตัวเมีย (การแตะ) การกางปีกข้างเดียวและการสั่นสะเทือน (การร้องเพลง) การเลียอวัยวะเพศของตัวเมีย การคว้าขึ้น ไปที่หลังของผู้หญิง (พยายามมีเพศสัมพันธ์) และมีเพศสัมพันธ์ครั้งสุดท้าย [3,26] แมลงวันตัวผู้พยายามผสมพันธุ์กับตัวเมียหนึ่งตัว และการวัดความกระตือรือร้นทางเพศของแมลงวันตัวผู้ที่มีต่อตัวเมียเรียกว่าดัชนีการเกี้ยวพาราสี (CI)

CI คือเวลาที่ดรอสโซฟิล่าตัวผู้ใช้ในการเกี้ยวพาราสี หารด้วยเวลาทั้งหมดของการทดลอง วงจรประสาทที่รู้จักกันดีซึ่งควบคุมพฤติกรรมการผสมพันธุ์ประกอบด้วยเซลล์ประสาทที่ไร้ผล (fru) เซลล์ประสาทที่แสดงออกถึงความรู้สึกแบบ fru รวมถึงอวัยวะรับความรู้สึกปฐมภูมิและเซลล์ประสาทภายในส่วนกลาง เช่น เซลล์ประสาทคลัสเตอร์ P1 ที่กระตุ้นการเกี้ยวพาราสี อาจก่อตัวเป็นแกนกลางของวงจรการเกี้ยวพาราสีชาย [50]

มีงานวิจัยอย่างน้อย 3 ชิ้นรายงานว่าจุลินทรีย์ในลำไส้ไม่ส่งผลต่อพฤติกรรมการเกี้ยวพาราสีในแมลงหวี่ [33,35,51]; อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่าแต่ละการศึกษาใช้แมลงวันป่าที่แตกต่างกันและใช้วิธีการที่แตกต่างกันเพื่อสร้างแมลงวันที่ปราศจากเชื้อโรค

ตรงกันข้ามกับการศึกษาเหล่านี้ Heys และคณะ แสดงให้เห็นว่าจุลินทรีย์ในลำไส้ต่อต้านกลยุทธ์การผสมพันธุ์ของผู้ชายโดยการเปลี่ยนสัญญาณทางเพศหญิง ซึ่งส่งผลให้การถ่ายโอนอสุจิจากแมลงวันตัวผู้ลดลง [31] การผสมพันธุ์ในแมลงหวี่จะเพิ่มความหลากหลายทางพันธุกรรมในลูกหลาน ช่วยเพิ่มการป้องกันภูมิคุ้มกัน และอาจได้รับผลกระทบจากจุลินทรีย์ที่เป็นโฮสต์ [31,52]

การศึกษาก่อนหน้านี้แสดงให้เห็นว่าใน 1- และ 3- วันหลังการผสมพันธุ์ รูปแบบการแสดงออกของยีนในเนื้อเยื่อหัวของแมลงวันมีการเปลี่ยนแปลง ซึ่งส่งผลต่อพฤติกรรมของแมลงวัน รวมถึงพฤติกรรมการกินอาหาร ระบบเผาผลาญ และการผลิตไข่ (หลังการผสมพันธุ์) -พฤติกรรมการผสมพันธุ์) [53] เดลบาเร และคณะ ทำการวิเคราะห์ RNA-seq ขนาดใหญ่ของแมลงวันพันธุ์แท้และแมลงวันพันธุ์ axenic/แมลงวันทั่วไป และรายงานว่าในตัวเมียที่ผสมพันธุ์ บันทึกที่เกี่ยวข้องกับการควบคุมการสืบพันธุ์และการทำงานของเซลล์ประสาทมีความแตกต่างกันมากมายขึ้นอยู่กับจุลินทรีย์ของตัวเมีย [32]

นอกจากนี้ สถานะจุลินทรีย์ของเพศชายยังส่งผลต่อความดกของไข่ในตัวเมียทั้งแบบปกติและแบบ axenic อย่างไรก็ตาม มันส่งผลกระทบต่อโปรไฟล์การถอดเสียงเฉพาะใน axenic เท่านั้น แต่ไม่ส่งผลกระทบต่อผู้หญิงทั่วไป

2.2. จุลินทรีย์ในลำไส้และพฤติกรรมก้าวร้าว

พฤติกรรมก้าวร้าวซึ่งพบเห็นกันอย่างแพร่หลายในอาณาจักรสัตว์ มีความสำคัญต่อการอยู่รอดและการสืบพันธุ์ [54] ในดรอสโซฟิล่า พฤติกรรมก้าวร้าว ได้แก่ การขู่ปีก การชกมวย การตบด้วยขาหน้า การพุ่ง และการฟาดหัว [2,33] เจียและคณะ อธิบายวิธีวิเคราะห์พฤติกรรมก้าวร้าวของแมลงวัน

ในการทดสอบนี้ แมลงวันตัวผู้หรือตัวเมียสองตัว (อายุ 5–7 วัน) จะถูกวางไว้ในห้องต่อสู้ ซึ่งจากนั้นจะถูกคลุมอย่างรวดเร็วด้วยแผ่นกระจกขนาด 20 มม. × 20 มม. การต่อสู้ในช่วง 30 นาทีจะถูกบันทึกโดยใช้กล้อง วิเคราะห์พฤติกรรมก้าวร้าวโดยการนับจำนวนการแทงในผู้ชาย และการโขกหัวในผู้หญิง และประเมินความถี่ในการพุ่งเข้าใส่/เวลาแฝงในการต่อสู้ ความถี่ของการพุ่งหมายถึงจำนวนครั้งของการพุ่งต่อนาทีหลังจากการเริ่มการพุ่ง ในขณะที่เวลาแฝงในการต่อสู้ถูกกำหนดให้เป็นระยะเวลาระหว่างจุดเริ่มต้นของการบันทึกและการพุ่งครั้งแรก [33]

การศึกษาพบว่าพฤติกรรมก้าวร้าวประสานกับข้อมูลทางการมองเห็น การดมกลิ่น การรับรส ประสาทสัมผัสทางกล และการได้ยิน อินพุตเหล่านี้รวมเข้ากับร่างกายเห็ดสมอง (MB), เขาด้านข้าง และบริเวณส่วนกลางที่ซับซ้อน และสุดท้ายจะขับเคลื่อนเอาท์พุตของมอเตอร์ผ่านทางกล้ามเนื้อปีกและขา

การศึกษายังชี้ให้เห็นว่าสารสื่อประสาทและนิวโรเปปไทด์ เช่น ออกโทปามีน, เซโรโทนิน, โดปามีน, อะซิติลโคลีน และนิวโรเปปไทด์ F (NPF) ก็มีบทบาทสำคัญในพฤติกรรมก้าวร้าวเช่นกัน [54]

การศึกษาล่าสุดแสดงให้เห็นว่าจุลินทรีย์ในลำไส้จำเพาะสัมพันธ์กับความก้าวร้าวของแมลงวัน เจียและคณะ ใช้โซเดียมไฮโปคลอไรต์และชุดวิธีปฏิบัติในการล้างเพื่อสร้างแมลงวันจำพวก axenic [33]

เมื่อเปรียบเทียบกับแมลงวันทั่วไป (Canton-S) แมลงวันสกุล Axenic มีพฤติกรรมก้าวร้าวระหว่างตัวผู้น้อยกว่า ซึ่งบ่งชี้ว่าแมลงวันที่ปราศจากเชื้อโรคได้ลดการรุกรานระหว่างตัวผู้ นอกจากนี้ แบคทีเรียที่อยู่รวมกัน เช่น Acetobacter, Lactobacilli และ Enterococci ยังส่งเสริมพฤติกรรมก้าวร้าวในแมลงวัน axenic โดยการสร้างอาณานิคมของจุลินทรีย์อีกครั้ง ผู้เขียนยังรายงานด้วยว่าระดับออคโทพามีนในแมลงวันไร้เชื้อโรคลดลง 73% และการดัดแปลงพันธุกรรมของกิจกรรมของเซลล์ประสาทออคโตปามีนช่วยฟื้นฟูพฤติกรรมก้าวร้าวในแมลงวันแบบ axenic

การศึกษาเดียวกันนี้ยังรายงานปัจจัยสำคัญสองประการที่เกี่ยวข้องกับการควบคุมความก้าวร้าวผ่านการแสดงออกของออคโทพามีน หนึ่งคือช่วงพัฒนาการที่สำคัญในช่วงระยะตัวอ่อน (48–98 ชั่วโมงหลังการวางไข่) ซึ่งการเสริมด้วยอาหารที่อุดมด้วยยีสต์ช่วยฟื้นฟูพฤติกรรมก้าวร้าวในแมลงวัน axenic ปัจจัยอีกประการหนึ่งคือโภชนาการ เนื่องจากมีความสำคัญต่อการแสดงออกของออคโทพามีน และการให้อาหารที่เหมาะสมแก่แมลงวัน axenic จะทำให้พฤติกรรมก้าวร้าวเป็นปกติ

การค้นพบนี้แสดงให้เห็นว่าจุลินทรีย์ในลำไส้และโภชนาการในช่วงระยะเวลาการพัฒนาที่สำคัญส่งผลต่อการแสดงออกของออคโทพามีน ซึ่งควบคุมความก้าวร้าวในผู้ชายที่เป็นผู้ใหญ่ [33]
2.3. Gut Microbiota และการนอนหลับและการเคลื่อนไหวของหัวรถจักร
ระบบติดตามกิจกรรมของแมลงหวี่ (DAM) ใช้เพื่อศึกษาพฤติกรรมการนอนหลับและการเคลื่อนที่ของแมลงวัน [55] ในการทดสอบนี้ แมลงวันจะอยู่ภายใต้สภาวะวงจรมืด 12 ชั่วโมง/12 ชั่วโมง [56,57]

อุปกรณ์ DAM มีส่วนประกอบหลัก 3 ส่วน ได้แก่ (1) หลอดแก้วที่แมลงวันตัวเดียวสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ (2) ลำแสงอินฟราเรดที่ส่งผ่านจุดกึ่งกลางของหลอดแก้ว และ (3) คอมพิวเตอร์สำหรับบันทึกพฤติกรรม ผลลัพธ์ [55] ในการทดสอบพฤติกรรมการนอนหลับ/การเคลื่อนไหว ระบบ DAM จะบันทึกการแตกของลำแสงอินฟราเรดเนื่องจากแมลงวันเดินในหลอดแก้วเพื่อตรวจจับการนอนหลับหรือการเคลื่อนไหว [58]

วงจรที่เกี่ยวข้องกับพฤติกรรมการนอนหลับที่รู้จักกันดีในสมองดรอสโซฟิล่าประกอบด้วยเซลล์ประสาทในร่างกาย แสงกระตุ้นกลุ่มของเซลล์ประสาทหน้าท้องและด้านข้างขนาดใหญ่ (l-vLN) ซึ่งปล่อยปัจจัยการกระจายเม็ดสี (PDF) เพื่อกระตุ้นกลุ่มของเซลล์ประสาทหน้าท้องและด้านข้างขนาดเล็ก (s-vLN) ในที่สุด s-vLN จะควบคุมศูนย์ควบคุมการเคลื่อนที่ของสมอง ซึ่งเป็นตัวทรงรี เพื่อยับยั้งพฤติกรรมการนอนหลับ

ทั้ง l-vLN และ s-vLN แสดงตัวรับ GABAA ซึ่งอาจยับยั้งการตื่นตัวผ่านเซลล์ประสาท GABAergic ที่ส่งเสริมการนอนหลับ MB ยังเป็นบริเวณสมองที่สำคัญที่ควบคุมการนอนหลับผ่านหน่วยย่อยเร่งปฏิกิริยาของโปรตีนไคเนสเอซึ่งเป็นเอนไซม์ที่กระตุ้นโดยวิถีแคมป์ที่เกี่ยวข้องกับการนอนหลับ [59] การเคลื่อนไหวของหัวรถจักรมีความสำคัญต่อการอยู่รอดของดรอสโซฟิล่า และควบคุมโดยฮอร์โมน ซึ่งสามารถวิเคราะห์ได้โดยใช้ระบบ DAM คิง และคณะ

รายงานเมื่อเร็ว ๆ นี้ถึงการมีอยู่ของวงจรเปปไทด์ซึ่งเชื่อมโยงนาฬิกาชีวิตกับกิจกรรมของหัวรถจักร s-vLN ปล่อย PDF ที่กระตุ้นเซลล์ประสาทนาฬิกา DN1 ซึ่งในทางกลับกันจะกระตุ้นเซลล์ประสาท pars intercerebralis (PI) เชิงบวก DH44 เซลล์ประสาท PI เชิงบวกของ DH44- จะกระตุ้นเซลล์ประสาท SEZ ที่ให้ผลบวกของฮิวกิน ซึ่งในที่สุดจะปล่อยนิวโรเปปไทด์ของฮิวกินไปยังวงจรมอเตอร์ในเส้นประสาทหน้าท้องที่ควบคุมการทำงานของการเคลื่อนไหวของเคลื่อนไหวในดรอสโซฟิลา [60]

ผลของจุลินทรีย์ในลำไส้ต่อพฤติกรรมการนอนหลับในแมลงหวี่ยังไม่ชัดเจน เซลกริก และคณะ ใช้สายพันธุ์ D. melanogaster Canton-S ที่ปราศจากไอโซเจนิกของ Wolbachia ในขณะที่แมลงวันไวลด์ไทป์ และทำการตรวจการนอนหลับและพฤติกรรมของหัวรถจักร ผู้เขียนสร้างแมลงวันปลอดเชื้อโรค Canton-S ที่ปลอด Wolbachia โดยการล้างไข่ด้วย NaClO และเรียกรุ่นแรกว่า F1 และรุ่นต่อไปว่า F2

ข้อมูลของพวกเขาเปิดเผยว่าทั้งแมลงวัน F1 ปลอดเชื้อโรคและ F2 ไร้เชื้อโรคไม่แสดงการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในพฤติกรรมการนอนหลับ ยิ่งไปกว่านั้น แม้ว่าแมลงวัน F1 ที่ปราศจากเชื้อโรคจะไม่แสดงการเปลี่ยนแปลงใดๆ ในพฤติกรรมของหัวรถจักร แต่แมลงวัน F2 ที่ปราศจากเชื้อโรคก็มีกิจกรรมของหัวรถจักรเพิ่มขึ้นเล็กน้อยเมื่อเทียบกับแมลงวันทั่วไป [35]

การศึกษาอื่นโดย Silva และคณะ ใช้ Canton-S และ W1118 เป็นแมลงวันป่า และใช้ NaClO เพื่อล้างไข่แมลงวันเป็นเวลา 3-5 นาทีเพื่อสร้างแมลงวันแบบ axenic [61] ผลการวิจัยพบว่าเมื่อเปรียบเทียบกับแมลงวันทั่วไป แมลงวัน Axenic มักจะนอนหลับเป็นระยะเวลานานขึ้น และแสดงการฟื้นตัวของการนอนหลับลดลงหลังจากการอดนอน [34] อย่างไรก็ตาม สถานะจุลินทรีย์ในลำไส้ของแมลงวันมีผลเพียงเล็กน้อยต่อจังหวะการเต้นของหัวใจของการเคลื่อนไหวของหัวรถจักร

ซิลวาและคณะ และเซลกริก และคณะ มุ่งเน้นไปที่การทำความเข้าใจบทบาทของจุลินทรีย์ในลำไส้ในการควบคุมการนอนหลับและการเคลื่อนที่ของแมลงหวี่ ชเรตเตอร์ และคณะ เสนอกลไกที่เป็นไปได้ในการอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างจุลินทรีย์ในลำไส้กับการเคลื่อนไหว/การนอนหลับ ในการศึกษานี้ สายพันธุ์ Oregon-R ถูกใช้เป็นแมลงวันป่า และแมลงวันได้รับอาหารเสริมด้วยยาปฏิชีวนะเพื่อสร้างแมลงวันที่ได้รับยาปฏิชีวนะ (ABX)

ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าแมลงวัน ABX เพิ่มความเร็วในการเดิน เพิ่มกิจกรรมในแต่ละวัน และลดการนอนหลับในตอนกลางวัน ผู้เขียนยังรายงานด้วยว่าเอนไซม์ xylose isomerase ซึ่งกระตุ้นการเกิดไอโซเมอไรเซชันแบบย้อนกลับของน้ำตาลบางชนิดที่มีอยู่ใน Lactobacillus brevis ช่วยลดการทำงานของหัวรถจักรโดยการปรับการเผาผลาญน้ำตาลโดยการกระตุ้นเซลล์ประสาท octopaminergic อย่างไรก็ตามเอนไซม์นี้ไม่ส่งผลต่อการนอนหลับ [36]

2.4. จุลินทรีย์ในลำไส้และพฤติกรรมที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิ

อุณหภูมิสิ่งแวดล้อมส่งผลกระทบอย่างมากต่อสรีรวิทยาของอุณหภูมิภายนอก เช่น แมลงหวี่ พฤติกรรมการเลือกอุณหภูมิ (แมลงวันหลีกเลี่ยงสภาพแวดล้อมที่ร้อนหรือเย็น) และการทนต่ออุณหภูมิที่ร้อนหรือเย็นเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการอยู่รอดในดรอสโซฟิล่า การทดสอบการไล่ระดับอุณหภูมิใช้เพื่อศึกษาการตั้งค่าอุณหภูมิในแมลงวัน

การศึกษาต่างๆ ใช้อุปกรณ์ไล่ระดับอุณหภูมิที่แตกต่างกัน แต่หลักการพื้นฐานก็เหมือนกัน คือ ด้านหนึ่งของอุปกรณ์อยู่ที่อุณหภูมิต่ำ และอีกด้านหนึ่งทำให้เกิดอุณหภูมิสูง โดยการวางแผ่นอลูมิเนียมไว้ระหว่างทั้งสองด้านจะเกิดการไล่ระดับอุณหภูมิ วางแมลงวันไว้บนแผ่นอลูมิเนียมและอนุญาตให้เลือกอุณหภูมิที่ต้องการได้ [62,63]

มีสองวิธีในการศึกษาพฤติกรรมการหลีกเลี่ยงอุณหภูมิ วิธีแรกคือการใช้การทดสอบไล่ระดับอุณหภูมิ (ตามที่อธิบายไว้ข้างต้น) และวิธีที่สองคือการใช้เครื่องทดสอบแบบสองตัวเลือก

เครื่องทดสอบแบบสองตัวเลือกประกอบด้วยสี่ควอแดรนท์ที่สร้างด้วยชิปทำความเย็นแบบเทอร์โมอิเล็กทริกและแผ่นอะลูมิเนียม เมื่อทำการทดสอบการหลีกเลี่ยงอุณหภูมิ เครื่องทดสอบแบบสองตัวเลือกจะตั้งอุณหภูมิคงที่ (25 ◦C) ในควอแดรนต์แนวทแยงชุดหนึ่ง และควอแดรนต์แนวทแยงอื่น ๆ ตั้งค่าไว้ที่อุณหภูมิการทดลอง ซึ่งขึ้นอยู่กับการวิเคราะห์ [64] .

การฟื้นตัวของอาการโคม่าเป็นเกณฑ์วิธีในการศึกษาพฤติกรรมการทนต่ออุณหภูมิ ในการทดสอบนี้ แมลงวันจะถูกจุ่มลงในอ่างน้ำ-ไกลคอลที่ตั้งไว้ที่ −3.5 —C (ขึ้นอยู่กับการออกแบบการทดลอง) สำหรับความเครียดจากความเย็นหรือสัมผัสกับอุณหภูมิ 38.5 —C (ขึ้นอยู่กับการออกแบบการทดลอง) สำหรับความเครียดจากความร้อน ตามมาด้วย แมลงวันได้รับอนุญาตให้ฟื้นตัวและวัดระยะเวลาการฟื้นตัว [37,65]

การศึกษาล่าสุดได้ชี้ให้เห็นว่าจุลินทรีย์ในลำไส้ส่งผลกระทบอย่างมากต่อความทนทานต่ออุณหภูมิของแมลงวันผลไม้ เฮนรี่ และคณะ ทำให้เกิดแมลงวัน axenic โดยการกำจัดคลอรีน โดยไข่แมลงวันจะถูกแช่ในไฮโปคลอไรต์ 2.7% เป็นเวลา 2 นาที เอทานอล 70% เป็นเวลา 2 นาที และสุดท้ายล้างด้วยน้ำนึ่งฆ่าเชื้อ 2 ครั้ง [37] หลังจากการขจัดคลอรีน แมลงวันจะถูกเลี้ยงด้วยอาหารนึ่งฆ่าเชื้อ ผลการวิจัยชี้ให้เห็นว่าความทนทานต่อความเย็นของแมลงวันสกุล Axenic มีข้อบกพร่องเมื่อเปรียบเทียบกับแมลงวันธรรมดา อย่างไรก็ตาม ความทนทานต่อความร้อนไม่ได้รับผลกระทบในแมลงวัน axenic สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าการหยุดชะงักของจุลินทรีย์จะลดความสามารถในการรับมือกับความเครียดจากความหนาวเย็น [37] การศึกษาแมลงหวี่สายพันธุ์อื่นๆ เช่น D. subobscura แนะนำว่าแมลงวันทั่วไปต้องสัมผัสกับสภาวะความร้อนเล็กน้อย (<34 ◦C) exhibit higher thermal tolerance than axenic flies [38].

For more information:1950477648nn@gamil.com