蟑螂建立嗅觉刺激的空间图以跟踪潜在的配偶

据北海道大学和康斯坦茨大学的研究人员称，雄性蟑螂可以感知到雌性信息素的空间分布，从而找到一个配偶。蟑螂是夜行性的，严重依赖嗅觉来寻找食物和黑暗中的交配伙伴。然而，从气味源发出的羽状物不是光滑的或连续的，并且没有明显的浓度梯度。它们由各种尺寸(> mm)的细丝(气味分子簇)组成，散布着清洁空气区域。

来自北海道大学及其同事的研究人员发现雄性蟑螂能够感知到气味羽状物的精细结构，这要归功于天线和神经回路上精细调节的气味传感器，这些气味传感器将空间信息传递给大脑。利用微电极，研究人员记录了美国雄性蟑螂中信息素敏感的中间神经元的电活动，这些蟑螂将触角叶中产雌性信息素的信号传递到高阶中心。

该小组确定了12个用于感知信息素的关键中间神经元，每个信息素都被调谐为仅接收来自蟑螂天线某一部分的信号。一个神经元的大小很大，并且响应沿着鞭毛的整个长度的刺激。三个具有中等大小的感受野，并从三分之一的鞭毛接收信号。剩下的八个神经元被更精细地调整，仅响应于天线的有限部分上的刺激。重要的是，相邻神经元的感受野中存在大量重叠，这确保了整个鞭毛的完全覆盖。

研究人员还研究了信息素信号如何通过大脑中的嗅觉回路传播。与哺乳动物嗅觉系统一样，对相同种类气味敏感的感觉神经元会聚在称为肾小球的球形结构中。蟑螂中的巨球体(MG)接收来自信息素响应神经元的会聚轴突输入，根据它们在天线中的空间起源被细分为多个层。12个关键神经元精确地利用这个分层图 - 它们的树突(输入部位)根据它们在天线中的接收场占据巨大单体内的不同但部分重叠的层。由这些神经元处理的信号被携带到蘑菇体中的不同区域(涉及空间记忆形成)，表明该信号关于信息素的空间信息从天线表面到蘑菇体保持不变。

该团队怀疑蘑菇体中小神经元的组合活动的读出允许蟑螂评估气味细丝的大小和形状。由于灯丝的尺寸和密度根据与光源的距离而不同，因此这些信息可能提供关于光源位于何处的线索。此外，当蟑螂的天线自动移动时，蟑螂可能能够通过气味信号的时间采样产生蘑菇体内气味羽流的刻板图像。

“平铺在天线空间调整的感受野都让人想起那些在视觉系统。因此，映射空间分布的气味会成功驾驭使用气味的重要策略，因为走在丰富障碍物的环境蟑螂有较少的场合是与气味细丝接触，“研究小组的助理教授西野弘说。