今日热门!中国科学家揭示蚊子识别气味的神经机制，嗅觉只能被人体气味激活

“我找遍整个小镇都没有合适的。当时很着急，如果真的找不到，就得等明年。还好我导师的朋友说，纽约北部森林里乳草还在盛开，那边气候比普林斯顿更冷、花期也更晚。我立马驱车四个多小时，一路向北抵达森林。当看到那片盛开的乳草和周围翩翩起舞的帝王蝴蝶时，几乎喜极而泣。采完花我立刻返回实验室，当晚通宵把它们的气味采集固定下来，这才回去睡了个踏实觉。”

看完这段话，一般人可能会想，采花不应该是很浪漫，为何这么着急忙慌？对于科研人员来说，采花也可能是“行走的论文”。

(资料图片)

而这些辛苦采集到的花朵，“竟被”用于研究蚊子，进而启发了一篇 Nature 论文。该论文可给人类永恒的痛点——灭蚊带来新“神器”。有两位审稿人认为，此次使用的方法不仅颇具开创性，同时也是理解蚊子嗅觉的里程碑工作。

担任论文一作兼通讯的北大校友赵志磊表示：“在风洞实验中，有超过 60% 的蚊子被它吸引。课题组也因此申请了专利，希望能把这个混合物应用到捕蚊器当中，来吸引诱杀蚊子。另一个思路是，如果能筛选到一个化合物来抑制蚊子对人类气味敏感的脑区，那么把它涂到皮肤上，是不是也能起到驱蚊效果？而这样的化合物或可作为新型驱蚊剂来使用。”

▲图 | 赵志磊（来源：赵志磊）

他说，人的气味很复杂，可能有上百种化学分子混合其中。但是，此次研究发现在蚊子大脑中的初级嗅觉脑区，只有两个区域被激活。这意味着人们或能使用很简单的混合物，来模拟人体气味去吸引蚊子。

该研究发现，用正己醇和癸醛这两种气味分子以恰当的比例混合，可以很好地模拟人的气味，从而刺激蚊子大脑的激活模式。同时，这个双组分的混合物对蚊子有很强的吸引力。

蚊子，在日常生活中随处可见，不仅烦人、而且还会很危险，它们会给人类传播疟疾、登革热等的致命疾病。在演化过程中，一些蚊子物种变成专门从人身上吸血，这类蚊子最为可怕，因为它们给人传播疾病的效率非常高。

（来源：Nature）

很早之前人们就知道，蚊子主要依靠气味来寻找宿主，所以这些专门咬人的蚊子，特别喜欢人的气味。但是，它们如何做到准确区分人和动物的气味的？这一直是个未解之谜。因此，该问题不仅是一个很有趣的基础研究问题，对于公共卫生领域也很重要。

事实上，此问题一直有被研究，但是长期未出现大突破。因为，蚊子是非模式生物，可被使用的研究工具很局限。而为了回答该团队想解决的科学问题，首先要攻克技术障碍，开发出能让人深入研究蚊子的工具。

其中，最关键的是遗传学工具，它能让研究人员特异性地标记蚊子的大脑，从而记录到蚊子的神经活动。然而，基因编辑技术在蚊子中还不够成熟、效率也很低，所以需要筛选大量蚊子，才能制造出正确的转基因品系。

（来源：Nature）

为此，实验室耗时五年左右，才陆续取得进展，并制造出相关的遗传学工具。类似的技术问题还有很多，例如双光子钙成像在蚊子中的使用、宿主气味的收集和刺激等。

“所以如果看我们发表的论文，方法那一部分特别地长。而我们开发的这些工具和方法，不仅可以应用于蚊子的研究，还可以更广泛地用来研究其他动物的嗅觉。”赵志磊说。

（来源：Nature）

有了这些新工具，就能深入研究蚊子的大脑，对它们的嗅觉行为获得全新的理解。具体来说，他们给蚊子做了“开颅手术”，然后用人和动物的气味来刺激它的触角，这样就能在显微镜下观察它的大脑活动。

期间，课题组惊奇地发现，蚊子的嗅觉脑区中有一个特定的区域，只能被人的气味激活，对其他动物的气味几乎没有反应。进一步研究发现，这个脑区会特异性地探测人气味中的一种化学分子——癸醛，这种分子在人的气味中特别多，在动物的气味中很少。至此，研究结论开始明晰起来：蚊子能准确地区分人和动物的气味，很有可能是通过检测癸醛含量的多少。

近日，相关论文以《蚊子大脑编码人类气味的独特特征以驱动宿主寻找》（Mosquito brains encode unique features of human odour to drive host seeking）为题，发表在 Nature 上。赵志磊担任一作兼通讯，普林斯顿大学生态与进化生物学系教授卡罗琳·麦克布赖德（Carolyn S. McBride）担任共同通讯作者。

▲图 | 相关论文（来源：Nature）

“头晚下暴雨，校园里的乳草一夜之间都谢了”

2016 年，是赵志磊在普林斯顿大学读博的第二年，他当时启动了这项研究。主要挑战在于，如何实现技术上突破例如基因编辑、钙成像等新技术。

因此，前期有两三年都是在做“基建”，即给蚊子开发基础的遗传学工具。拿到想要的转基因蚊子品系后，便开始探索如何在显微镜下观察它们的大脑活动。

刚开始的测试都是使用从公司购买的单一化合物，因为他们当时还不知道如何收集人和动物的真实气味去刺激蚊子。

（来源：Nature）

当时的方法都不够适合，研究一度陷入瓶颈。直到有一次，课题组偶然从一些化学家那里了解到一种特殊的方法热解吸（thermal desorption），才意识到也许能用到蚊子研究中，遂开始测试这一方法。

直到 2019 年末，才克服掉所有方法学上的障碍，正式进行蚊子大脑的成像实验。而在第一个正式实验里，他们就斩获惊喜，发现了那个只被人的气味激活的脑区。后面，则是通过更严谨详细的探索来证明此次发现。

（来源：Nature）

蚊子平常以花蜜为食，所以也会被花的气味所吸引。因此在实验中，需要采集花的气味。该团队选定了乳草（milkweed）作为采集对象，因为埃及伊蚊很喜欢它的花蜜，同时在普林斯顿的校园里也很常见。

一般在正式实验之前，都需要做预实验来优化条件。初夏乳草花盛开的时候，赵志磊开始做预实验，进展都还不错。但是，等把条件都摸清楚后，决定做正式实验时，头天晚上下了一场暴雨，校园里的乳草几乎是一夜之间都谢了，于是便有了文章开头的驱车采花......

“正好赶上饶毅院长做改革”

而在科研中，一个问题的解答往往会引出更多的问题。该研究亦是如此。课题组发现蚊子大脑中有一个区域探测人的气味中的癸醛，但他们并不知道是什么基因编码了这个嗅觉受体。

如果找到了这个基因并把它突变掉，那么这些专门咬人的蚊子，是不是就不再喜欢人的气味了？

同时，该团队研究的是蚊子的初级嗅觉脑区，而蚊子感受到的嗅觉信息还得经过高级嗅觉脑区的进一步处理，才能转化为行为。

所以，在后续的计划清单里，有一项便是要研究蚊子大脑中的高级嗅觉脑区，对人和动物气味的感知。另外，并不是所有的蚊子都专门咬人，甚至以此次研究的埃及伊蚊为例，最早也是既咬人又咬动物的，只是在演化的过程中慢慢变成“咬人专业户”。

因此，接下来一个很有趣的项目就是，比较这些专门咬人的和既咬人又咬动物的两类蚊子，看看它们的大脑、尤其是嗅觉脑区有何差别。

据悉，赵志磊是云南省大理人。目前在美国康奈尔大学的神经生物学和行为学系做博士后，专注于研究鸟类的社会行为和大脑机制。其本科就读于北京大学生命科学学院，2014 年获得学士学位。

他说：“当时正好赶上饶毅院长对本科生的教学和科研做改革，给予我们很大的选课自由，同时鼓励我们早进实验室接触科学研究。所以，我从很早就熟悉做科研的大致过程，同时慢慢发现自己很喜欢做科研。而我本科毕业论文研究的是果蝇的基因组和演化。”之后 Gap 一年，并继续本科期间的科研项目，期间参与的几个工作，后面也有发表论文。

2015 年秋，赵志磊来到美国普林斯顿大学生态演化系读博，期间负责神经生物学和演化生物学的交叉研究，即主要研究大脑和行为的进化，算是很独特的一个领域。

而这种独特的交叉研究，又启发了赵志磊的科学思维塑造。这让他能从不同角度来思考同一问题，而不必局限于某个特定领域。目前，其博后研究也承袭了这一思路。

参考资料：

1.Zhao, Z., Zung, J.L., Hinze, A. et al. Mosquito brains encode unique features of human odour to drive host seeking. Nature 605, 706–712 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04675-4

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