动物大脑将气味刺激提炼成神经信号的发现为灭蚊策略提供新思路

蚊科，是昆虫纲双翅目之下的一个科。该科生物通常被称为蚊或蚊子，是一种具有刺吸式口器的纤小飞虫。

雌性 Aedes aegypti 蚊^[1]
蚊子的后翅进化为带有很多感受器的平衡棒，帮助其灵活地飞行。这就是为啥即使你在耳边真实地感受到蚊子地“嗡嗡”声，一个巴掌下去，留下地却只有鲜红的手印。
▐  蚊子的 Kiss，奇痒无比
大家都有享受过蚊子的亲昵，岂是一个 ”痒” 字可解？蚊子包上划十字，是不是苦 B 兮兮的你！

被蚊子咬了，为什么会痒？因为蚊子吸了你的血，并向你吐了口水，注入唾液。

蚊子的唾液中含有蚁酸、抗凝血剂等等，引起人体的过敏反应，造成奇痒和红肿。不过不必慌张，一般来说，不挠的话忍忍就过去了。

▐  蚊子≠吸人血

首先，并非所有的蚊子都咬人，蚊子分雌雄，绝大多数蚊科的雄蚊以植物汁液为食，雌蚊则外寄生于其他生物表面，使用刺吸式口器刺穿宿主的皮肤以吸取血液。它为雌性提供产卵所需的蛋白质[1]。

其次，蚊子的宿主成千上万，主要为脊椎动物，如哺乳动物、鸟类、爬行动物、两栖动物、鱼类等。3500 多种蚊子中大多是有什么咬什么，仅有约 10 种蚊子，哎嘿，它就只稀罕人，也正是因此，传播了人类大多数的疾病。

▐  蚊媒疾病

蚊子是数百种致病病毒的吸血媒介，这些病毒是人类疾病的病原体。幼年蚊子通过吸血从受感染的宿主身上获得病毒，然后在蚊子的组织中广泛繁殖。这只蚊子随后成为病毒储存器，并有能力通过下一次吸血将病毒传播给幼年脊椎动物宿主[1]。

问题来了，专 “稀罕”人的蚊子是怎么能够准确地区分人和动物的呢？
通过气味。研究表明，蚊子的大脑编码了人类气味的独特特征。

Zhilei Zhao 等人在 Nature 杂志发表题为“Mosquito brains encode unique features of human odour to drive host seeking”的文章，发现动物大脑可能会将先天性的复杂气味刺激提炼成简单的神经信号，并为设计下一代灭蚊策略提供新的思路[2]。

▐  埃及伊蚊对人类气味的偏好

埃及伊蚊 (Aedes aegypti) 是多种节肢动物传播病毒疾病，如登革热 (Dengue) 和寨卡病毒 (Zika) 的主要媒介，是媒介生物学中一种常见的实验室模型。  

通过对雌性埃及伊蚊的研究发现，它们严重依赖体味来区分物种，并且对人类气味的偏好比非人类动物（以下简称“动物”）的气味更强 (图 1)。

图 1. 在无选择 (a、b) 和选择 (c、d) 嗅觉试验中，雌性埃及伊蚊对人类和动物气味的反应^[2]。 

条形图 (或圆圈) 和线条代表 β 二项式混合模型的平均值和 95％ 置信区间 (n=9-14 次试验/处理，平均分布在 6 个人、2 只大鼠、2 只豚鼠、1 只鹌鹑、1 只绵羊的羊毛和 4 只狗的毛发中)。在没有人类或动物气味的情况下，对呼出的人类气息 (a，顶部)、合成 CO₂ (b，顶部) 或未佩戴的对照袖套 (b，顶部第二) 的反应最小。

▐  人类和动物气味的收集

于是，作者便着手于收集人和动物真实的气味，通过使用一种特殊的收集管，管中有很多的多聚物，当气体通过的时候，气味分子就会被吸附在多聚物上，以此来收集人和动物的气味。

共采集了人类、大鼠、豚鼠、鹌鹑、羊毛、狗毛的气味样本，以及两种蚊子喜欢的花蜜相关刺激物——马利筋花 Milkweed 和蜂蜜 Honey (图 2a)。并通过气味递送系统，将天然提取物直接从吸附剂管递送到蚊子体内，并进行精确的定量控制 (图 2)。

图 2. 气味采样收集示意图^[2]。 

a. 活体动物/植物 Milkweed (上)、人类 (中) 和动物毛发/蜂蜜 Honey (下) 的气味采样设置。用于输送复杂气味样品的两级热解吸示意图。b. 样品通过缓慢加热和氮气流从收集管转移到充满吸附剂的聚焦阱中。然后对聚焦阱进行弹道加热（在约 3 秒内升至 220°C）以在短时间内释放样品。气味流在此过程中冷却至室温，并分裂成可调节的比例流向蚊子，而其余部分则可以被收集起来。

 

▐  动物模型：CRISPR/Cas9 转基因蚊子

科研“汪”们都清楚，一旦做到动物实验，必然绕不开动物模型。

作者利用 CRISPR/Cas9 生成了敲入蚊子，这些蚊子在 orco 基因座的内源性控制下表达钙指示剂 GCaMP6f (一种基因编码钙离子指示剂，钙离子荧光探针，能够指示钙离子浓度的大小) (图 3a)。

图 3. CRISPR/Cas9 转基因蚊子标记示意图^[2]。 

a. 基因靶向策略用于驱动 orco⁺ 感觉神经元中的 GCaMP6f 表达，同时保留 orco功能。b. orco-T2A-QF2-QUAS-GCaMP6f 成年雌性大脑的抗体染色，放大触角叶（右上）并对 ~34 orco⁺（绿色）和 ~20 orco^-（洋红色）肾小球（右下）进行 3D 重建。比例尺，100 μm。

 

转基因蚊子在触角和上颚须上的感觉神经元中表现出 GCaMP6f 表达，这些神经元投射到背内侧触角叶的肾小球中，可捕捉所有 orco+ 肾小球中由气味引起的反应(图 3b)。

这样一来，便成功标记了神经系统，且对行为的影响很小。

 

蚊子的嗅觉：
蚊子的嗅觉很灵敏，其通过散布在触角和上颌触须上的数千个嗅觉感觉神经元中表达的受体来探测大多数挥发性物质。当蚊子探测到气味时，嗅觉感受器被激活，接着表达相同配体特异性受体的神经元会将轴突信号传递到大脑触角叶内的单个嗅球，进行解读。

• 表达嗅觉受体 (Odorant receptor, OR) 家族受体的神经元子集，在宿主识别中起着关键作用：携带保守的 OR 辅助受体 orco 突变的雌性会被宿主吸引。

 

▐  人类气味会引起独特的神经反应
万事俱备，上实验吧！
作者测试了蚊子对 8 个人、3 种动物物种 (共 5 只) 以及两种花蜜相关刺激物的气味反应 (气味浓度为 1X，大致相当于实时传给蚊子的整个人体的气味)。
(1) 空白对照：仅通空气，无气味，蚊子大脑几乎没有激活。
(2) 其他组别中：

1. 一个肾小球反应被所有三种物种的气味强烈激活 (蓝色箭头，称为“广泛调节”B 肾小球)。
2. 一个对人类气味反应强烈，但对动物不敏感或仅微弱敏感 (绿色箭头，称为 “人类敏感”H 肾小球)。

3. 第三个肾小球被两种动物强烈激活，但不被人类激活 (橙色箭头，称为 “动物敏感” A 肾小球)。

图 4. 人类和动物的气味会激活触角叶球的独特组合^[2]。

结果表明，人类和动物的气味会激活埃及伊蚊触角叶中不同的肾小球组合，人类气味会引起其独特的神经反应。

这主要是因为人类混合物含有一系列常见的挥发性化合物，这些化合物源自皮肤分泌物、皮肤微生物组或它们之间的相互作用。研究发现，脊椎动物的气味主要是脂肪醛，而花蜜的气味则富含萜烯。与动物气味相比，在人类气味中甲基庚烯酮(Sulcatone), 香叶基丙酮 (Geranylacetone), 和癸醛 (Decanal) 含量丰富 (图 5)。

图 5. 人类和动物的气味混合物在关键化合物的相对浓度上有所不同^[2]。  

a. 由 Sapienic acid 和角鲨烯(Squalene) 组成的人体皮脂比例。两种脂质的氧化会产生富含人体气味的挥发性化合物如 Sulcatone 和 Decanal 等。b. 人类、动物和花蜜相关刺激物的气味特征。

 

人皮肤中存在汗腺 (分泌汗液) 和皮脂腺 (分泌油性物质)，Sapienic acid 和Squalene 是人体皮脂的组成物质，体表接触到空气后，然后这些物质会被氧化分解为 Decanal 和 Sulcatone。而动物气味中几乎没有，因为它们的皮脂并不具备那两种物质。
进一步的实验发现，“人类敏感”H 肾小球对人体气味中 Decanal 的生理浓度有强烈的反应，被人类气味选择性激活，而 B 肾小球则对多种天然混合物作出反应。
那么，雌蚊子是否利用这些信号来寻找和识别宿主？
于是，作者合成了一种二元混合物 (1-Hexanol + Decanal)，模拟人类气味，并在风洞中进行测试，结果表明其可以在 B 和 H 肾小球中引起类似的强烈活动 (图 6)。

图 6. H 的激活增强了宿主寻找行为^[2]。

a. 对 1-己醇、癸醛及其二元混合物的神经反应。b. 风洞飞行场地 (Wind-tunnel flight arena)。c. 单只蚊子飞行轨迹示例。

 

人的气味里面有上百种分子，作者只使用了两种分子就很好地模拟了它的效果。

试想一下，如果提前在房间搞个捕蚊器，在捕蚊器中置入这两种物质组成的混合气体，是不是就可以混淆蚊子的嗅觉，睡个安稳觉？当然，这也需要进一步的尝试与研究。

总结一下！人类的气味比动物的气味更能吸引蚊子，因为人的气味里面癸醛(Decanal) 很多，癸醛可以大量地激活这个对人敏感的嗅小球，而动物的气味里面癸醛很少，这个嗅小球不被激活，所以蚊子更喜欢人的气味。所以，嘻嘻，你逃也没用，你逃，它追，你插翅难飞~不过大家还是可以使用驱蚊剂，做好防护措施~

 

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4-Decanol 一种抗突变化合物，可以从芥菜叶中分离出来。4-Decanol 可抑制鼠伤寒沙门氏菌 TA100 中 $AFB_1$ 和 MNNG 的诱变活性。

1-Hexanol 一种伯醇，是一种表面活性剂，可用于工业过程中以增强界面性能。1-Hexanol 通过非质子机制解偶联线粒体呼吸。

Sulcatone 一种内源性代谢产物。

Geranylacetone 一种从阿魏 (Ferula akitschkensis) 茎中分离得到的天然化合物。

Sapienic acid 一种常见于皮肤和粘膜中的脂肪酸，对皮肤和口腔中发现的革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌具有可变的抗菌活性。Sapienic acid 对血链球菌，微生物链球菌和核纤梭菌具有活性，其 MBC 值分别为 31.3 μg/mL，375.0 μg/mL 和 93.8 μg/mL。

Squalene 是胆固醇合成的中间产物，具有降血脂、保肝、抗动脉粥样硬化、心脏保护、抗氧化和抗肿瘤等多种药理特性。

[1] Fernández-Grandon GM, et al. Heritability of attractiveness to mosquitoes. PLoS One. 2015 Apr 22;10(4):e0122716. 

[2] Zhao Z, et al. Mosquito brains encode unique features of human odour to drive host seeking. Nature. 2022 May;605(7911):706-712.