（发育生物学专业论文）在秀丽线虫中建立学习抉择模型以及多巴胺受体在抉择行为中的拮抗性作用.pdf

中文摘要 在秀丽线虫中建立学习抉择模型以及多巴胺受 体在抉择行为中的拮抗性作用 东南大学 摘要 感觉信号的整合是神经系统功能的一个重要的方面。但是对其机制的了解却十分有限。 利用模式动物秀丽线虫在神经生物学研究的优势，可以对抉择行为进行更深入的分析。重金属 离子对线虫有驱避作用，但是，丁二酮对线虫有诱导趋向作用。为构建两难抉择模型，在丁二酮的 前面构建一个重金属离子墙，从而评价线虫对于两种矛盾的感觉信号的整合和抉择行为。为了在常 见的十二个重金属离子构建的模型中筛选出切实有效的两难抉择模型，首先，对于各个重金属离子 评价了对线虫的驱避性能力和在这些模型中的表型，发现重金属对线虫的驱避能力是不同的。其中， c 矿和h 9 2 + 最强。进一步的，分别对模型不同区域的线虫运动行为进行了测试，结果表明线虫仅仅 在b d ”、f e ”和p b 2 + 中构建的模型中没有明显的运动缺陷。其次，在对b d ”、f e 3 + 和p b ”中不同区域 中神经元的荧光分析表明，线虫神经元活性没有受到伤害。最后，利用感觉整合缺陷的突变体h e n j ( t r n 5 0 1 j 和t t x - 3f 鼢j j 对所筛选到的模型的可靠性进行了进一步的确证。综上表明，b d ”、f e ” 和p b 2 + 构建的抉择模型可以用作线虫两难抉择行为的研究。 在两难抉择模型中，多巴胺受体信号通路被发现在抉择行为中可能具有重要的调控功能。线虫 多巴胺受体d o p - 1 的突变可以明显引起动物穿越重金属墙能力的提高，而d o p - 2 和d o p - 3 的突变可 以导致动物穿越重金属墙能力的降低。双突变体的实验表明，d o p - 1 的突变可以抑制d o p - 2 突变的表 型，而d o p - 3 的突变则抑制d o p - i 的表型。在抉择行为测试中，d o p - 4 的突变对线虫感觉信号的整合 和抉择行为没有明显影响。通过铜离子和丁二酮的敏感性实验和浓度梯度实验证明多巴胺受体 d o p - 1 、d o p - 3 的缺陷导致了线虫感觉信号整合的缺陷。同时，对于运动行为与繁殖能力等的分析排 除了多巴胺受体d o p - 1 、d o p - 3 突变体中两难抉择行为的缺陷是由于代谢等生理因素干扰的可能。针 对多巴胺受体对抉择行为调控遗传通路的研究，表明e g l - 3 0 和g o a - i 在多巴胺受体介导的两难抉择 行为中可能具有重要的作用，d o p - 1 对抉择行为的调控可能在e g l - 3 0 的上游，而d o p - 3 对抉择行为的 调控则可能在g o a - 1 的上游。而且，d o p - 1 对于抉择行为的调控可能依赖于h e n - 1 ，t t x - 3 的表达。此 外，多巴胺受体的突变不会影响神经系统和感知相关神经元的活性。总之，多巴胺受体d o p 1 、d o p - 3 参与调控线虫的两难学习抉择行为，并且这种作用具有相互拮抗的特性。 关键词：秀丽线虫，抉择模型，多巴胺受体，g 蛋白 英文摘要 e s t a b l i s h m e n to fl e a r n i n gc h o i c em o d e l sa n dt h ea n t a g o n i s mf u n c t i o no f d o p a m i n er e c e p t o r si nl e a r n i n gc h o i c ei nc a e n o r h a b d i t i se l e g a n s s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a d s t r a e t a ni m p o r t a n tf i m c t i o no fn e u r o ns y s t e mi st h ei n t e g r a t i o no fs e n s o r ys i g n a l s ，b u ti t sm e c h a n i s mi s p o o r l yu n d e r s t o o d b e c a u s ec a e n o r h a b d i t i se l e g a n sh a sv a r i o u sa d v a n t a g e sf o rt h er e s e a r c ho nn e u r o b i o l o g y , t h e m e c h a n i s mo f l e a r n i n gc h o i c ec a nb ed e e p l ya n a l y z e dw i t ht h ea i do f t h i sm o d e lo r g a n i s m n e n m t o d e sc e l e g a mi sr e p e l l e n tt oh e a v ym e t a li o n s ，w h e r e a st h ed i a c e t y li sa na t t r a c t a n tf o rn e m a t o d e s b yf o r m i n ga h e a v ym e t a lb a r r i e ri n f r o n to f 龇d i a c e t y l i n t e g r a t i o no f t w od i l e m m as e n s o r ys i g n a l sa n dl e a r n i n gc h o i c e b e h a v i o rc a nb ee v a l u a t e di nn e m a t o d e s i nt h ec u r r e n tw o r k 1 2h e a v ym e t a l sw e r ec h o s e nf o rt h es e r e e r l i no r d e rt og a i nr e l i a b l ea n de f f e c t i v ec h o i c em o d e l s t h er e p e l l e n tp e r f o r m a n c ea n dp h e n o t y p e si nt h e s e m o d e l sw e r eh a v e s t i c a t e d d i 彘e n th e a v ym e t a l sh a dd i f i e r e n tc a p a b i l i t i e so i lt h er e p e l l e n tp e r f o r m a n c e a n dc a n dh g ”h a ds t r o n g e rr e p e l l e n tp r o p e r t i e s a g a l l l ，l o c o m o f i o nb e h a v i o r sa td i f i e r e n tr e 西o i l so f m o d e l sw e r ee v a l u a t e d a n dt h en e m a t o d e sd i dn o ts h o wo b v i o u s1 0 c o m o t i o nb e h a v i o r a ld e f e a t si nc r b 一+ f e ”a n dp b * - m e d i a t e dl e a r n i n gc h o i c em o d e l s i na d d i t i o n , t h ef l u o r e s c e n te x p r e s s i o np a t t e r n so f d i f f e r e n tn e r v o u ss y s t e m sa n dr e l a t e ds e n s o r yn e r u r o n sw e r en o tf o a n dt os h o ws e v e r ed e f e c t sa td i f f e r e n t 西o i l so f t h e s ef o u rm o d e l sw i t ht h ea i do f as e r i e so f t r a n s g e n i cm a r k e r s f i n a l l y , t h eh e n 1 ( t m 5 0 1 j a n dt t x - 3 ( 【s 5 ) m u t a n t sw 弛ld e f e c t si nt h es e n s o r yi n t e g r a t i o nw e r ef u r t h e re x p l o r e dt oc o n f i r mt h e p r o p e r t i e so f t h e s ec a n d i d a t em o d e l s t h e r e f o r e o u rd a t ai n d i c a t et h el e a r n i n gc h o i c em o d e l sc o n s t r u c t e d b yc 矿，b d ”、f 矿a n dp b ”w o u l db eu s e f u lf o rt h er e s e a r c ho fl e a r n i n gc h o i c eb e h a “o r s ，e s p e c i a l l yf o r t h er e l a t e dg e n c 吐cs c r e e n , i nc e l e g a n s i l lc 矿m e d i a t e dm o d e i m u t a t i o n so fd o p a m i n er e c e p t o r sw e 他s c r e e n e do u tt oe x h i b i ts e v e r e l e a m i n gc h o i c ed e f e c t s m u t a t i o no fd o p 一1o b v i o u s l yi m p r o v e dt h e 曲i l i t yo fn e m a t o d e st oc r o s st h e h e a v ym e t a lb a r r i e r , w h e r e a sm u t a t i o no f d o p 一2a n dd o l 弘3m a r k e d l ys u p p r e s s e dt h i sa b i l i t y m u t a t i o no f d o p - 4d i dn o tc m o b v i o u sd e f e c t si nt h ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n g o u rd a t ao nt h es e n s a t i o no f c u 什a n d d i a c e t y l a n das e r i e so f c o n c e n t e r a t i o n - g r a d i e n ta s s a yo f l e a r n i n gc h o i c ef u r t h e ri n d i c a t e dt h a tm u t a t i o n so f d o p a m i n er e c e p t o r s ，d o p - ia n dd o p - 3 , r e s u l t e di ns e v e r ed e f e c ti nt h ei n t e g r a t i o no fs e n 5 0 r ys i g n a l s a n a l y s i so nt h ep h e n o t y p e si nd o p a m i n er e c e p t o rd o u b l em u t a n t si n d i c a t e st h a tm u t a t i o n o fd o p 一1 s u p p r e s s e dt h ep h e n o t y p eo f d o p - 2m u t a n t s w h e r e a sm u t a t i o no f d o p 一3i n h i b i t e dt h ep h e n o t y p eo f d o p 1 m u t a n t s , s u g g e s t i n gt h ea n t a g o n i s t i cp r o p e r t i e sb e t w e e nd o p - 1a n dd o p - 3m u t a n t s m o r e o v e r , n oo b v i o u s l o c o m o t i o na n dr e p r o d u c t i v eb e h a v i o r sw e r ef o u n di nt h e s em u t a n t s ，w h i c he x c l u d e dt h ep o s s i b l ee f f e c t s f r o mr e l a t e dp h y s i o l o g i c a le v e n t s f u r t h e r m o r e ，s y s t e m a t i ea n a l y s i so fg e n e t i ci n t e r a c t i o ni n d i c a t et h a t e s # s om a yf u n c t i o nd o w n s t r e e mo f t h ed o p - m e d i a t e dp a t h w a y s ，a n dg o a - im a yf u n c t i o nd o w n s t r e a mo f t h ed o p - 3 - m e d i a t e dp a t h w a y si nt h er e g u l a t i o no f o fl e a r n i n gc h o i c eb e h a v i o r s i na d d i t i o n , f u n c t i o n so f d o p - 1a n dh e n 一1m a yb ed a p e n d e n to l lt h ee x p r e s s i o no fg e n e so fh e n - 1a n dl 噍3 m u t a n t so fd o p a m i n e r e c e d t o t s d o p - 1a n dd o p - 3 , d i dn o ta f f e c tt h ee x p r e s s i o np a t t e r n so fd i f f e r e n tn e u r o ns y s t e r m sa n dt h e s e n s o r yn e u r o n sa s s o i a c t e dw i t ht h es e n s a t i o ni nt h ea s s a ym o d e l t h e r e f o r e d o p a m i n or e c e p t o r sd o p - l a n dd o p 一3p a r t i c i p a t e si nt h er e g u l a t i o no fl e a r n i n gc h o i c eb e h a v i o r sw i t ha l la n t a g o n i s mm a n n e ri nc e e g a n s k e y w o r d s ：ce l e g a n s ，l e a r n i n gc h o i c em o d e l ，d o p a m i n er e c e p t o r , gp r o t e i n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 啦日期： 前言 学习抉择是动物神经系统的一个重要的功能。因为周围环境的动态变化，生物体得到的是多种 的感觉信号。通过对这些信号的整合和处理产生合适的行为。对于抉择性行为的研究从水蛭到果蝇、 小鼠以及猕猴等模型，跨越了不同的研究层次与研究阶段。主要是在于神经元和脑区在抉择行为发 生的过程中有改变或起了作用口，1 0 ，2 2 0 5 朋。 秀丽线虫( c a e n o r h a b d i t i se l e g a m ) 具有简单完整的神经系统，全身3 0 2 个神经元以及之间的相 互联结大部分都已明了，是研究神经生物学的一个良好的模式生物。而且，线虫的基因组测序早已 完成，加上对线虫遗传学上的详尽的研究【4 2 】，使得我们能够在线虫中对抉择行为进行深入的细胞和 分子水平的研究。并且，线虫有十分敏感的感觉神经元和感觉信号处理系统【5 ”。它可以感觉到微摩 尔浓度的水溶性物质和皮摩尔浓度的挥发性物质，并且根据不同的感觉信号通路和学习记忆的能力 对信号进行处理，从而产生合适的回避或趋向性的运动1 5 2 1 。在线虫中，有许多配对信号整合的行为 可塑性，如温度趋向性行为和化学趋向性行为 3 4 , 3 9 删，从而为研究感觉信号的整合和抉择行为提供 了基础。但是，目前在线虫中针对学习抉择模型尚缺少系统的评价，且评估模型很少而不利于筛选 与机制深入的研究。 另外，目前的研究表明多巴胺神经元在高障碍高回报与低障碍低回报的选择行为中有重要作用 4 2 1 。i n a s e 等0 1 1 发现g o n o g o 的任务选择中，豆状核中的多巴胺神经元在两种任务中都有作用，涉 及到运动行为的准备，执行和抑制等多个过程。此外，e i - g h u n d i 等实验发现多巴胺受体d 1 在学习 和记忆过程中有重要影响f 8 川。m o r r i s 等在猕猴的实验中发现多巴胺神经系统介导了行为的选择，并 可以根据多巴胺神经元活动的反应出所选择的行为，提示多巴胺神经在行为决定上有较高的等级p ”。 由此可以看出，多巴胺能神经系统在感觉信号整合中可能有重要作用，但是具体的多巴胺信号通路 在抉择中是如何调控的，多巴胺各种受体在抉择行为中发挥什么样的作用，具体的机制是如何的等 等问题都很不明了。特别是关于多巴胺信号通路对抉择行为的分子机制方面少有报道。这些问题对 我们深入了解神经的功能等方面都有重要的作用，特别是对于抉择行为的调控机制都是非常重要的。 在线虫中，多巴胺受体有d o p - 1 ( d 1 样多巴胺受体) 和d o p - 2 、d o p - 3 ( d 2 样多巴胺受体) ，在 运动行为等调控中有重要的作用。但是，对于多巴胺受体在线虫感觉整合和抉择行为中的作用，仍 没有报导。 因此，以秀丽线虫( ce l e g a m ) 为模型对感觉整合和抉择的研究对全面了解抉择行为的机制是 十分必要的。而且，通过线虫中多巴胺受体通路对抉择行为和分子机制的研究可以为研究感觉整合 和抉择行为找到切入点，是十分有意义的。 文献综述：秀丽线虫感觉信号的整合和学习抉择行为 为了能够适应时刻多变的环境，生物体必须要对周围的生存环境进行合适的评价，并且做出相 一致的正确活动1 2 ”。因此，对于周围环境的感知以及对各种感觉信号的整合和评价是十分重要的， 并由此指导生物体依据环境变化来调整自身的运动和行为。周围环境的信号是多种多样的，如温度、 湿度等。生物体对于各种感觉信号都会产生相应的反应，然而当所获得的感觉信号所产生的行为是 不一致的时候，就需要对于各种信号整合和抉择。 秀丽线虫( c a e n o r h a b d i t i se l e g a n s ) 是神经生物学研究中非常重要的模式生物。线虫神经系统 由3 0 2 个神经元组成，具有高度发育的神经感觉系统以及神经信号处理系统。各个类型的神经元数 量和位置、神经环路都比较清楚。线虫通过其感觉系统能够敏锐地探测环境中存在化学信号，井可 以将它们与食物、危害等联系起来。线虫对化学信号的感知，主要靠感觉神经元中大量不同种类的 受体。这些感觉信号受体大都属于g 蛋白偶联受体。大约有5 0 0 1 0 0 0 种的g 蛋白偶联受体存在于 化学感觉神经元中介导感觉信号转导，其下游主要的信号转导系统是依赖e g m p 门通道和t r p vf - j 通道。通过不同的受体和g 蛋白的作用，使得线虫的有比较完备的感觉和感觉信号整合体系。 秀爵线虫的化学感觉器官与化学趋向性 线虫的感觉系统包括头部( a m p h i d ) 和尾部( p h a s m i d ) 化学感受器，以及身体机械刺激感觉 神经。头部感觉系统是线虫主要的感觉器官，它包括1 1 对化学感觉神经元和一对温度感觉神经元 ( a f d ) 旧。每对感觉神经元都对称地分布在身体的特定位置，但是左右两侧的同类感觉神经元的 功能并不是完全相同的f 2 7 】( 图1 ) 。 a 图1 ：秀爵线虫痦觉器官和头部感觉神经元 ( w r o m b o o k , 2 0 0 5 ) 乱线虫感觉器官b 头部感觉器官c 头部1 2 种感觉神经元的形态 所有的化学感觉神经元有相似的结构，它们都是双极的细胞，其树突延伸很长并通过小孔暴露 在外环境，其轴突延伸到线虫的神经环中不同的中间神经元中。神经环是线虫信号整合的主要位置。 每类化学感觉神经元可以通过其不同的感觉纤毛结构分开。感觉纤毛是感觉信号产生和传导的位置。 纤毛的结构对于感觉神经元的功能有重要影响，许多影响其结构的基因功能发生突变能够导致线虫 的感觉行为的改变和缺失。各类化学感觉神经元的功能之间有交叉，但是各感觉神经元的功能上并 不相同或完全相同。它们分别负责对于挥发性和水溶性物质等的感知，并产生相应的回避行为和趋 向性行为5 2 1 ( 表1 ) 。 2 东南大学硕士论文 表1 ：线虫头部十二对感觉神经元的基本功能 感觉神经元功能 z 扦舅 挥发性物质趋向性行为；丁二酮，吡嗪，噻唑 a w b 挥发性物质驱避行为 a w c 挥发性物质趋向性行为；苯甲醛，丁酮，异戊醇，噻唑 a f d 温度趋向性行为 a s e n a + ，c l - , c a m p , 生物素，赖氨酸趋向性，产卵行为 a d f 永久性幼虫信息素；n a + ，c f , c a m p , 生物素趋向性( 次要的) a s g 永久性幼虫信息素( 次要的) ；n r ，c l - c a m p , 生物素，赖氨酸 趋向性( 次要的) a s h 渗透压回避反应，触觉回避反应，挥发性物质回避反应 a s i 永久性幼虫信息素；n a + ，c 1 c a m p , 生物素，( 次要的) a s j 永久性幼虫信息素( 恢复性的) a s k 赖氨酸趋向性。产卵 a d l 辛醇回避反应，水可溶性物质诱导的回避反应 ( w o r m b o o k ，2 0 0 5 ) 线虫能够感知微摩尔浓度的水溶性物质和皮摩尔浓度的挥发性物质。并对于不同的化学物质表 现出不同的行为( 表2 ) 。许多对线虫有诱导趋向作用的物质都是细菌代谢的副产物，可能对线虫 是一种食物线索。饱和性试验( 通过将线虫放在高浓度的诱导物质环境下，使其产生适应性，导致 趋向该物质的行为丧失) 发现一种诱导物质的阻滞并不能影响其它诱导物质的作用，表明线虫能够 区分不同化学物质，即使它们的结构很相似。对于线虫有驱避作用的许多物质是对有机体有毒害作 用或者能引起麻痹和死亡的。但是，线虫并不能对其它有毒物质有回避反应，可能这种反应是作用 于特殊神经通路的激活而不是对机体的伤害。 表2 ：对线虫有趋向作用和驱运作用的化学物质 诱导物质 水可溶性物质挥发性物质 n a + ，k ，l i + c a 竹，m 矿乙醇 c v , s o d ，n 0 3 一，b r - - , 厂单酮类物质 c a m p , c g m p 二酮类物质 生物素酯 亮氨酸，组氨酸，半胱氨酸，组胺吡唪 偏碱性的p h噻唑，醛类，芳香类 驱避物质 水可溶性物质 挥发性物质 高渗透压物质庚醇。辛醇。壬醇 偏酸性的p h壬酰类 铜离子苯甲醛 s d s 2 , 4 ，5 三甲基噻唑 色氨酸乙基庚醇 感觉信号的整合 那么，线虫是如何将这些化学物质与自身的反应联系在一起的? 所谓趋向反应指的是线虫能够 3 在某一物质的浓度梯度中，向着浓度峰值的位置运动。研究表明线虫不是通过比较头尾或者左右的 浓度差来选择高浓度的位置，它的头部感觉器官能直接感知即时的化学物质浓度的改变。而且，线 虫正弦运动的时候，头部弯曲摆动对于空间上的浓度峰值位置的定位也十分重要。所以，线虫趋向 性行为是对时间和空间上浓度信息整合的结果。对于有毒物质的回避反应则是通过感知高渗透压、 酸性等引起运动方向的改变”“。 线虫能够通过对于两种或多种感觉信号的整合和学习产生行为的可塑性，以此调节自身的行 为。在线虫中，经由配对信号诱导产生的行为可塑性主要有温度趋向性和化学趋向性模型。对于这 两种行为神经通路的研究已经发现有许多感觉神经元和中间神经元参与，并且这两条通路是相互联 系的( 图2 ) 。 h e d g e c o c k 等发现喂饲良好的线虫能够在温度梯度中找到其培养的温度，并能够等温线运动l l ”。 而饥饿和拥挤的培养环境则导致线虫回避培养的温度。这表明在温度趋向性中有两种类型的神经调 节，一种是对于培养温度的存储，另一种是把培养温度与喂饲条件整合起来( 图3 ) 。m o h r i 等研究 表明，线虫对于温度的学习记忆和对于培养条件的学习是一个不连续的过程。而且组胺和章胺处理 的线虫能够分别模拟良好培养和饥饿培养的信号p 。中间神经元a i y 对于信号的整合十分重要，它 可能在产生温度记忆后对温度的感知与喂饲条件依赖的神经可塑性两种方面施加影响。t t x - 3 基因属 于l i mb o x 基因家族，它表达在a i y 神经元并与其功能密切相关。舭，的突变不但可以导致线虫的 嗜冷行为，也能产生感觉信号整合的缺陷。神经系统特异表达的钙离子感受器基因f g $ 的突变能够 引起线虫温度学习行为的缺陷。当在a i y 神经元中过表达n c , ，- 1 时，能够明显提高和增强线虫的温 度趋向性行为介导的学习和记忆”“，提示a i y 神经元不仅仅参与线虫的温度趋向性行为，而且在该 模型所构建的两种感觉信号整合的学习过程中有重要的作用。c h g 嘲等通过激光手术切断a f d 温 度感觉神经元的树突和剔除a i y 中间神经元来研究温度趋向性行为。当测试温度高于良好喂饲温度 时出现a f d 神经元兴奋和c 矿内流，从而抑制a i y 神经元功能，使得a l z 中间神经元激活并产生 趋冷运动。而当测试温度低于照好喂饲时的温度时，a f d 神经元受到抑制，引起a i y 神经元活性的 激活，抑制了a i z 神经元介导的趋冷运动( 图4 ) 。 弱：黑。篇甍：怒。 图2 ：溢度趋向性和化学趋向性行为的神经通路 ( j o m n a lo f n e u r o b i o l o y5 4 ：2 0 3 - 2 2 3 ，2 0 0 3 ) ( 感觉温度信号的a f d 神经元，感觉挥发性物质信号的a w a a w b a w c 以及感觉水可溶性物 质的a s e 神经元，将信号首先传递给初级中间神经元a i b ，a i y 和a i z ，然后再将信息传递给二级 中间神经元r i a r i b 和r i m ，最后传到运动控制中间神经元指导线虫向前或向后的运动。) 4 东南大学硕士论文 a 昌，b 幽i 影 cdefg 图圄国国团 图3 = 线虫的温度趋向性行为 ( g e n e t i c s1 6 9 ：1 4 3 7 1 4 5 0 ，2 0 0 5 ) a 在9 c m 培养皿中央放置溶融的冰醋酸，装置放在2 5 ( 2 环境中，会在培养基上形成温度梯度。 b 培养基上的温度梯度分布。c d e 分别是1 5 c ，2 0 c ，2 5 的等温运动轨迹。e g 是不能进 行等温运动的线虫轨迹 ab r k 7 甜 上! i 粼￥- q 比： 辩- - ! 嬲z l毒 口y o 帅i 。!蝴h # 霉 嗽a ：麟 图4 ：线虫温度趋向性行为神经通路模型 ( b m cn e u r e n s c i e n c e7 ：3 0 - 4 1 2 0 0 6 ) a 当测试温度大于培养温度时，a f d 的激活抑制了a i y 对a i z 的作用，使得线虫趋向低的 温度b 当测试温度低于培养温度，a id 不能被激活，a i y 抑制a i z 介导的趋向低温的运 动( t 缸培养温度；c r y o p h i l i cb i a s 趋低温的运动) 化学趋向性模型的行为可塑性是线虫另一种重要的两种感觉信号整合的行为可塑性。线虫对于 挥发性物质的趋向性与a 、触、a w b 、a w c 三对感觉神经元功能相关。a s e 、a d f 、a s g 、a s i 神 经元则对于水可溶性的物质的趋向性有重要作用，如n a + 、c l - 等。s a e k i 等通过线虫对于培养基中存 在的n a c i 信号和食物信号，构建了一种与化学趋向性相关的行为可塑性。将良好喂饲的线虫分别在 含有n a c i 和无n a c i 的培养基上进行饥饿，然后分别在测试盘上检测两种处理后线虫对于n a c l 的 趋向行为。研究表明，在含有n a c i 的培养基上饥饿的线虫明显回避n a c i ，而在不含有n a c l 的培养 基上饥饿的线虫表现出十分显著的n a c l 趋向性( 图5 ) d f lo 并且这种处理并不影响线虫对于挥发性 物质趋向性，但对于c a m p ，b i o t i n 和l y s i n e 的趋向性行为与n a c l 类似，这可能暗示n a + 、c r 以及 c a m p 、b i o t i n 和l y s i n e 都是由a s e 神经元感知的。作者认为，线虫在良好喂饲时形成了n a c i 信息 和食物存在信息之间的整合和联想性学习及记忆。当在含有n a c l 的培养基上饥饿时，则废除了这样 的联系，导致产生不同的n a c l 趋向性和行为可塑性。t o m i o k a 试验表明胰岛素样信号通路中的许多 基因突变可以导致这种化学趋向性介导的学习行为缺陷，如n 口j 、出阳、a g e j 等【4 9 1 。 5 综述 c s m g + n z c i 圈5 ：饥饿诱导的n a c i 趋向性行为的改变 ( t h ej o u r n a lo f e x p e r i m e n t a lb i o l o g y2 0 4 ：1 7 5 7 1 7 6 4 ，2 0 0 1 ) a ：线虫在无n a c l 的培养基上饥饿后的n a c l 趋向性b ：线虫在有n a c l 的培养基上饥饿后的 n a c | 趋向性c ：n a c l 趋向性测试盘的模型 线虫的学习抉择行为 在以温度趋向性建立的行为可塑性模型和以化学趋向性建立的行为可塑性中，都是将线虫对于 体外温度或化学信号的感知与喂饲条件联系起来，形成一种联想性学习和记忆，并由此介导线虫的 行为。除此之外还有一种将不同感觉信号整合的行为，即学习抉择行为。 抉择行为是生存的一个非常重要机制。周围生存的环境是处于一个动态的变化过程中的。因此， 同一时问内生物体可以接受到多种不同的信号，每种信号又指导产生不同的行为。那么，它对这样 的多种信号会做出怎么样的反应呢? d a v i s l 7 l 认为各种行为是有层次的，即某些行为是凌驾于其他行 为之上的，被称为抑制性相互作用。当两种不同的刺激信号产生两种不同的行为时，高层次的行为 首先产生。然而，抉择性行为实际上要复杂的多。尤其当同时受到两种相互矛盾的刺激信号的时候， 动物的行为表现出高度的可变性。 生物体对于感觉信号的处理涉及到对于过去经验的依赖以及对于目前所处环境新的学习结果 的综合评价。在多种刺激信号所产生的反应中，最明显的是能够导致有益和有害两种结果的矛盾感 觉信号。此时，产生的倾向于有益方面的抉择性行为被称为是一种r i s k - t a l d n g 行为。这种行为是通 过期望得到更大的奖赏而选择了一个并不确定的可以得到奖赏的行为 4 1 。目前，尽管许多的神经生 物学家对于抉择行为过程中的脑区决定进行了研究，但是抉择行为的细胞和分子水平的机制仍然很 不清楚。 1 抉择行为的动物模型 水蛭( k e c hh i r u d o ) ： e s c h 选择水蛭两种完全冲突的行为( 游泳和整体收缩) 作为研究抉择模型的参数【i o l 。水蛭属于 环节动物，具有3 2 个体节。当水蛭处于游泳状态时，全身的体节舒展，每个体节以lh z 的频率传 递收缩。当它处于整体收缩时，每个体节的腹部和背部纵肌延长了收缩时间，使得各个体节紧密结 合。研究发现触发游泳行为中间神经元同样在整体收缩时也是兴奋的，表明单个抉择神经元是多功 能的，它能够选择多种行为。以此推测，抉择行为可能是综合多个抉择神经元的结果。b d g g m a n 等 通过重复刺激水蛭的某单个抉择神经元，通过细胞电位敏感性染料观测不同行为发生时其他抉择神 经元的变化，发现神经元2 0 8 对于游泳和整体收缩行为的决择有明显影响f 2 】。当神经元2 0 8 超极化 并伴随其他神经刺激兴奋能导致偏向游泳行为，而神经元2 0 8 去极化并伴随其他神经刺激兴奋则倾 向于整体收缩。并且，当神经元2 0 8 在仅仅自身发生超极化和去极化时，不能触发抉择行为。但是， 这种抉择行为的偏爱性并不是完美的。因此，神经元2 0 8 可能是受到抉择神经环路控制。 果蝇( d r o s o p h i l am e l a n o g a s t e r ) ： h e i s e n b e r g 等通过飞行模拟器来研究果蝇的学习性行为1 1 6 1 。在模拟器中，果蝇被悬挂在中央的 导航器上，周围包绕着一个竖直的圆筒。在圆筒上有相应的符号和颜色信息，果蝇能够专注于某一 个符号和颜色，通过狈9 量偏航扭矩检测飞行方向，并以此引入惩罚因素训练果蝇专注于特定的形状 符号。当其辨别错误时，给予一次热激光的疼痛惩罚，通过这种方式强化其学习能力。t a n g l 4 7 】等利 用这一装置建立了一种研究学习抉择行为的模型。首先，训练果蝇能够在蓝色t 形符号和绿色t 形 6 东南大学硕士论文 符号中专注于绿色t 符号，以此建立了对于蓝色视觉线索为基础的学习和记忆。然后，在白色的底 板上提供白色正向的t 和白色倒置的t ，训练果蝇能够专注于正向的t 符号，以此建立对于形状视 觉线索为基础的学习和记忆。之后，评价果蝇的在绿色的倒t 和蓝色的正t 中的抉择行为，同时对 于颜色密度作了梯度试验。研究发现，当颜色密度较高时，果蝇倾向于以颜色线索为主的抉择；当 颜色密度低于某一值时，果蝇倾向于以形状线索为主的抉择。所以认为果蝇在抉择过程中，优先评 价有最大差异的方面，并以此做出选择。并且，果蝇学习和记忆中心蘑菇体结构对于果蝇的抉择行 为有重要的调控作用。 大鼠( 尺目m 培n o r v e g i c u s ) ： 放射臂迷宫( 具有八个放射状排列通道的迷宫) 是研究大鼠抉择行为的一个重要的模型。当所 有臂都放置诱饵时，大鼠倾向于邻近的臂。但是，这种抉择并不是唯一的方式。o k a i c h i 等的实验表 明p ，如果只在八个放射臂中的四个放置诱饵，尤其是当出现邻近臂没有诱饵时，在一组连续测试 后，大鼠明显削弱了邻近臂的选择。为了对大鼠的抉择行为的系统研究，h a g a 设计了三种实验：一 种是在八个放射臂都放置诱饵，另一种是在前一组实验中大鼠没有去过的四个臂中放置诱饵，第三 种是随机在四个臂中放置诱饵“。研究表明，在第一种条件下，大鼠明显倾向于选择邻近臂；在第 二种条件下，大鼠优先选择了前次实验没有去过的臂并且频繁进入臂中；在第三种条件下，大鼠进 入臂的次数比第二种要少，而且对邻近臂的选择比第一种要少。 猕猴( m a c a c am u l a t t a ) ： i c e 利用猕猴构建了一种自由抉择模型【2 8 j ，称为m a t c h i n gp e n n i e s 2 6 , 2 9 , 4 2 。他将猕猴视线固定在 电脑屏幕前的一个小的黄色区域。测试时，在屏幕的中央显示有两个绿色圆斑，并且停留0 5 s ；然 后，中央的绿色圆斑消失，移动到别的位置，猕猴的视线会在1 0 s 的时间内寻找绿色圆斑，并将视 线停留在其中某一个绿色圆斑上o 5 s ，此时在电脑所选择的圆斑外出现一个红色的圈。当猕猴所选 择的绿色圆斑与电脑选择的一致时，它会得到一点果汁的奖励。电脑的运算法则有三种：第一种是 随机的选择，每个圆斑被选中的概率是5 0 ；第二种是电脑通过猕猴前面的选择结果，预测出一个 最有可能的目标；第三种是电脑对以前猕猴所有的选择结果进行评价，预测出下一个目标。在第一 种电脑运算模式下，猕猴倾向于高频率的选择某一目标；当处于第二和第三种运算模式时，猕猴对 于两个绿色圆斑的选择都接近5 0 ，没有明显的偏性。猕猴对于圆斑的选择可能是一种成功即停留、 失败即改变的战略。也就是说，如果猕猴某一次选择了正确的圆斑并得到了果汁奖励，那么它倾向 于下一次选择同样的圆斑。如果第二次选择错误了，那么再进行改变。这种选择尤其是处于第二种 运算法则的时候倾向于发生。 2 秀丽线虫中的研究 线虫通过对于环境中不同感觉刺激的整合产生合适的行为，与此同时形成相应的记忆。利用两 种水可溶性的物质( 赖氨酸和氯化铵：都是对线虫有诱导作用的物质) 建立了分析线虫成对感觉信 号整合和抉择行为的模型。3 m o l l 的赖氨酸和0 i m o v l 的氯化铵对线虫有同等能力的诱导作用。 s h i n g a i 等通过将3 m o l i , 的赖氨酸和0 i m o l l 的氯化铵同时放在一个培养皿的两端，研究这两种刺 激信号同时存在时线虫的感觉整合行为j 。研究表明，线虫更倾向于3 m o l l 的赖氨酸。只有当赖氨 酸的浓度降低到o 3 m o l l 时，才能平衡线虫的趋向性行为。m m s u u r a ” h f 利用水可溶性的乙酸钠和 挥发性的丁二酮来研究线虫的感觉整合和抉择行为。研究发现，单独存在o 1 m o l l 乙酸钠和o 0 2 丁二酮对线虫有相同能力的诱导作用，但两者同时存在时线虫更倾向于选择0 0 2 的丁二酮。乙酸 钠是由a s e 神经元感知的，丁二酮是由a 、 ，a 神经元感知的，它们的靶向中间神经元都是a i y 、a i z 、 a i a 、a i b ，因此推测不同感觉神经元对于信号处理有着不同的进程，且在这两种感觉信号整合过程 中可能存在一种相互抑制性的行为。 在线虫中有许多配合两种刺激诱导的行为可塑性，如温度和良好喂饲条件等等。i s h i h a r a 等则 构建了一个两种矛盾的感觉信号整合的分析模型 2 2 1 ( 图6 ) 。在直径9 c m 的培养基的中线上用2 5p 1 的0 i m 的醋酸铜划一条线，然后在一侧加上2 l 的l 的丁二酮。将线虫放在丁二酮的对侧，评 价线虫穿越铜离子墙的比例系数。铜离子对线虫是由驱避作用的，它主要由a s e 、a s h 、a d l 神经 元感知的。只有当三类神经元同时丧失时，才会表现出对铜离子的回避反应的缺失现象p 。丁二 酮是对线虫有诱导作用的挥发性物质，它是仅由感觉神经元a w a 感知的。i s h i h a m 等发现含有l d l 受体结构域的分泌蛋白基因h e n 一1 的功能缺陷能够明显的引起线虫对于感觉信号整合的障碍j 。 7 h e n - 1 的突变体不仅表现出化学趋向性与温度趋向性所介导的学习行为缺陷，在学习抉择模型中也呈 现出明显的学习抉择行为缺陷。h e n j 表达在a s e 和a i y 神经元中。其功能是细胞非自主性的，因 为在a w c 神经元中异位表达h e n j 能够恢复其正常表型。h e n 一在成年虫中的表达就可以挽救其突 变的表型，表明它可能发育进程所必需的，更可能是具有一种调节功能。 o d o r a n t 图6 ：线虫两难抉择模型的模式图 ( c e l l1 0 9 ：6 3 9 - 6 4 9 ， 2 0 0 2 ) a 线虫起始放置的区域同时也代表不能穿过铜离子墙的区域 b 丁二酮区域代表了穿越铜离子墙 问题与展望 感觉信号的整合和抉择行为是神经生物学研究的一个十分重要的领域。尽管通过大鼠和猕猴的 抉择试验已经发现大脑的一些区域在抉择过程中有重要作用，且许多神经递质在抉择行为的过程中 发挥重要功能。但是，对于其细胞和分子水平的研究还处于开始的阶段，尤其是