变温动物（如昆虫、鱼类和爬行动物）的发育速度由环境温度决定。约翰内斯·古尔登大学的一个研究团队最近证明了温度如何影响果蝇的脑部发育。研究发现，在果蝇的发育过程中，脑中突触和突触后伙伴的数量与较低的环境温度相关。
变温动物（如昆虫、鱼类和爬行动物）的发育速度由环境温度决定。约翰内斯·古尔登大学（JGU）的一个研究团队最近证明了温度如何影响果蝇的脑部发育。 “在我们所研究的脑区，神经元在较低温度下形成了更多的突触，并与更多的突触伙伴连接，” 该团队负责人、JGU发育生物学与神经生物学研究所的卡洛塔·马特利博士表示。在他们的研究中，科学家们集中研究了果蝇的嗅觉回路，因为嗅觉决定了这些果蝇的重要行为模式，并对它们的生存至关重要。他们发现，昆虫在蛹阶段暴露于的温度不仅对脑部发育有影响，还对嗅觉驱动的行为有影响。
不同温度下脑部连接的代谢理论
温度是对生物体生物学影响最广泛的环境因素，因为它决定了所有生物物理反应的速率。一方面，较高的温度会使发育更加迅速，但与此同时，温度也可能影响动物行为。例如，在蜜蜂中，即使是环境温度的微小变化也会影响学习能力的关键脑区。深入了解温度与发育之间的关系，对于能够预测温度变化对野生动物行为的影响具有重要意义，同时也有助于更好地理解变温动物的发育过程，即体温可变的动物。
几年前，在果蝇的视觉系统中发现，当它们的发育温度较低时，神经元之间的突触数量会增加。卡洛塔·马特利博士的团队现在决定研究昆虫的嗅觉回路，并确定不同温度的影响。为此，果蝇在蛹阶段分别在18摄氏度或25摄氏度下发育，即在幼虫阶段和成虫之间，这是脑部连接形成的时期。马特利及其团队使用遗传技术检测成年果蝇脑中特定类型神经元的突触伙伴。一项计数显示，在18摄氏度下发育的动物的突触后神经元数量超过在25摄氏度下发育的果蝇的两倍。在昆虫脑的嗅觉回路的所有级别上，连接数量都有所增加。
“为了阐明这一结果，我们制定了一种理论，假设昆虫整个身体的生长与脑部发育之间存在略微不同的代谢条件，”马特利补充道，她的研究结合了理论物理学和神经生物学。换句话说，神经元中的代谢过程与其他体细胞的代谢过程有所不同。马特利和她的团队假设，在较低温度下，脑部的代谢速度比身体其他部位更快。“我们已经能够在其他实验中验证我们的理论推测，”马特利说。然而，支持这一代谢角色假设的直接证据仍然缺乏。研究人员目前正在分析发育过程中相关基因的表达，以找到答案。
发育温度也影响行为
此外，研究人员报告称，如果在蛹阶段降低温度，会影响成年果蝇的嗅觉驱动行为。在实验中，十天大的果蝇暴露于微量的丁酮，这是一种具有强烈气味的液体，能够吸引昆虫。在蛹阶段以18摄氏度发育的果蝇对这种气味表现出比在25摄氏度下发育的蛹果蝇更强的吸引力。
“虽然在较低温度下发育的果蝇具有更大的脑部连接，但它们的嗅觉感知似乎并没有更好或更强，”马特利指出。“神经活动的测量表明，与人类嗅球相当的大脑区域中的气味表征没有变化。因此，我们得出结论，行为变化可能归因于控制本能行为的大脑下游区域的连接，”马特利总结道。
该研究由德国研究基金会（DFG）资助，通过研究单位RobustCircuit – 从不精确到神经电路组装的鲁棒性（FOR 5289）和即将在2024年初在约翰内斯·古尔登大学成立的定量与计算生物科学研究所（IQCB）。相关论文已发表在Science Advances上。
