CO2敏感的嗅觉感觉神经元间的回返性突触实现埃及伊蚊对CO2的稳健检测

《PLOS Biology》：Recurrent synapses between CO2-sensitive olfactory sensory neurons enable robust CO2 detection in Aedes aegypti mosquitoes

　　

蚊子埃及伊蚊（Aedes aegypti）的寻找宿主行为依赖于多种感觉线索的整合。其中一种线索——二氧化碳（CO₂）——门控气味和热量通路，并激活寻找宿主行为。目前，处理CO₂信息的神经回路尚不清楚。研究人员使用自动化连续切片透射电子显微镜（EM）对埃及伊蚊下颚须（maxillary palp）支配的嗅小球回路进行成像和重建，包括对CO₂产生反应的嗅小球。值得注意的是，CO₂敏感的嗅觉感觉神经元（OSNs）彼此之间形成高水平的回返性突触连接，同时形成低密度的前馈突触。在这些CO₂ OSNs之间的一些接触位点，研究人员观察到带状（ribbon-like）突触前结构，这可能进一步增强回返性信号传递。研究人员将前馈和回返性连接与黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）的所有嗅觉嗅小球进行比较，发现埃及伊蚊CO₂应答OSNs之间的回返性连接多于黑腹果蝇的任何嗅小球。研究人员开发了一个计算回路模型，证明在正常生理条件下回返性突触对于稳健的CO₂检测是必要的。总之，高水平的回返性连接和带状结构可能放大CO₂敏感OSNs检测到的感觉信息，以支持蚊子在环境中存在高水平其他气味物质时的激活和致敏。研究人员提出，这种回路组织支持CO₂作为蚊子宿主线索的显著性。

蚊媒疾病每年导致超过五十万人死亡，埃及伊蚊是重要的全球传播媒介。雌性成蚊需要吸血获得卵成熟所需的蛋白质，并整合皮肤气味、体热、水蒸气、视觉线索和二氧化碳（CO₂）等宿主线索。CO₂能够引起运动增加和逆风飞行等激活行为，并增敏其他感觉通道，从而启动宿主搜寻。然而，CO₂信息在脑内神经回路中的处理机制此前尚不明确。研究人员利用自动化连续切片透射电子显微镜（EM）重建了成年雌性埃及伊蚊触角叶中由下颚须嗅觉感觉神经元（OSNs）支配的三个嗅小球，包括CO₂应答的Glomerulus 1，并与黑腹果蝇全脑连接组进行比较，结合计算建模探索回返性突触的功能。该研究发表在《PLOS Biology》。

主要关键技术方法：研究采用自动化带基超薄切片透射电子显微镜（ATUM-based EM）获取脑组织体积图像，并通过CATMAID平台对神经元进行人工骨架重建和突触注释。样本来自羽化后9天的成年雌性埃及伊蚊（LVPib12品系）。比较分析使用了果蝇FlyWire全脑数据集以及已发表的单核RNA测序（snRNA-seq）数据。最后构建了基于实验参数的生物物理网络模型，模拟OSN-投射神经元（PN）回路和抑制性局部神经元（LNs）介导的侧向抑制。

研究结果如下：

EM重建揭示CO₂神经元间高水平的回返性连接。研究人员在下颚须神经束中鉴定出支配三个嗅小球的136个OSNs，其中Glomerulus 1、2、3分别为45、45、46个。对每个嗅小球完全重建10个OSNs后发现，Glomerulus 1 OSNs的轴突缆长和分枝复杂度显著高于其他两个嗅小球，且其OSNs之间的回返性突触数量、单位重叠缆长密度以及占突触输出的比例均最高。

CO₂敏感OSNs的回返性突触多于前馈突触。每个嗅小球由一条同侧前内侧触角叶神经束（iACT）投射的单小球投射神经元（uPN）支配。Glomerulus 1的每个OSN向uPN发送约137个前馈突触，其密度和比例在三个嗅小球中最低；Glomerulus 1 OSNs的回返性突触数量超过其前馈突触，而Glomerulus 2和3则相反。

高水平回返性连接为埃及伊蚊CO₂ OSNs所特有。与果蝇所有嗅觉嗅小球相比，Glomerulus 1的前馈突触数量、密度和比例与多数果蝇嗅小球相近，但回返性突触数量约为果蝇任何嗅小球的11倍。果蝇CO₂应答的V嗅小球在回返性连接上与Glomerulus 1明显不同，说明这一特征并非由CO₂受体类型决定。

推测的带状突触特异性位于埃及伊蚊CO₂感觉神经元之间。在CO₂敏感OSNs之间的回返性接触位点，研究人员观察到类似脊椎动物带状突触的电子致密结构，其两侧排列有突触小泡，并在高倍镜下发现小泡与突触前膜接触，提示其可能参与突触传递。这些结构仅出现在Glomerulus 1 OSNs靠近轴突初级分支的区域，未见于其他嗅小球或果蝇中，提示其可能特异性增强CO₂感觉神经元间的回返性信号。

建模揭示回返性连接增强CO₂检测的作用。模型包含OSN-PN回路和抑制性局部神经元（LNs）介导的归一化抑制。将回返性增益g设为11（反映约11倍的回返性突触数）时，PN响应曲线显著增强；在平均或更强背景气味强度下，g需大于1才能实现阈值以上的CO₂检测，表明回返性连接在正常生理条件下是稳健检测所必需的。

讨论与结论：该研究提供了埃及伊蚊中枢微回路的第一份突触分辨率连接组。CO₂敏感OSNs之间高度回返的兴奋性连接可能放大微弱的感觉输入，降低检测阈值，但也可能增加误报风险，体现灵敏度-特异性权衡；回返性连接还可能通过维持持续活动支持CO₂引发的持久激活状态。研究推测带状突触可能代表趋同进化，但尚需鉴定其蛋白组成和功能。与果蝇的比较表明，嗅觉回路组织并非仅由受体决定，而是与物种的生态位和行为显著性相关。研究结论是：埃及伊蚊CO₂敏感OSNs之间的高水平回返性连接和带状结构能够放大CO₂信号，支持蚊子在复杂气味环境中的激活与致敏，从而凸显CO₂作为蚊子宿主线索的显著性。