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全球入侵性蚊子——埃及伊蚊（Aedes aegypti）专门叮咬人类，使其成为有效的疾病传播媒介。在寻找宿主的过程中，雌性蚊子对人类气味的偏好远超过动物气味，但具体如何区分这两者尚不清楚。
2022年5月4日，美国普林斯顿大学研究团队在Nature上发表了一篇题为 “Mosquito brains encode unique features of human odour to drive host seeking” 的研究论文，该研究表明，人类和动物的气味在埃及伊蚊触角叶内的嗅觉小球（olfactory glomeruli）中引发了不同的活动组合。其中一个嗅觉小球特别对人类气味有强烈的反应，而对动物气味反应微弱或无反应。研究结果还显示，动物大脑可能将复杂的、具有先天生物相关性的气味刺激简化为简单的神经编码，并为下一代蚊虫控制策略的设计提供了目标。(如需获取原文，请添加微信 yc135123)
在自然界中，气味线索的辨别是动物面临的一个挑战性问题。数十年的嗅觉研究揭示了动物如何识别单个化合物或简单混合物的原理——通过组合编码来实现灵活的学习行为，或通过标记线来实现固有的、硬性的反应。然而，大多数自然气味是由数十到数百种化合物混合而成的。动物如何进化出有效识别这些更复杂刺激的能力，尤其是那些具有重要先天意义的刺激，目前尚不清楚。
这个问题对于埃及伊蚊（Ae. aegypti）尤为重要，它们进化为专门叮咬人类，因此成为全球人类虫媒病毒病的主要传播媒介。雌性蚊子可以利用呼吸中的二氧化碳以及其他一般线索（如体温、湿度和视觉对比度）来探测脊椎动物。然而，它们在区分物种时主要依赖体味，并表现出对人类气味而非动物气味的强烈偏好。它们能够轻易地区分这些刺激，这一点非常有趣，因为脊椎动物体味是由相对常见的化合物组成的复杂混合物，这些化合物在物种之间经常共享。雌性蚊子需要多组分的混合物才能产生强烈的吸引力，并可能根据不同组分混合的比例进行区分。了解人类体味中用于辨别的具体特征以及这些特征在神经层面是如何被检测的，将为嗅觉编码提供基本见解，并为媒介控制提供潜在的目标。
蚊子通过分布在触角和上颚须上的数千个嗅觉感觉神经元表达的受体来检测大多数挥发性化学线索。表达相同配体特异性受体组合的神经元被认为会将轴突发送到大脑触角叶内的单个嗅觉小球中，这使得该位置成为解码跨感觉神经元类别的人类气味混合物编码的理想位置。因此，研究人员开发了工具来可视化这一关键节点处嗅觉感觉神经元轴突终端的气味诱发反应。研究人员特别关注表达气味受体（OR）家族受体的神经元子集，因为它们在精细的宿主辨别中起着关键作用：携带保守OR共受体orco突变的雌性蚊子会被宿主吸引，但在人类和动物之间的辨别能力较弱。
【埃及伊蚊（Aedes aegypti）对人类气味的偏好及其可能的编码机制】
研究人员使用CRISPR–Cas9技术生成了在内源性orco位点控制下表达钙指示剂GCaMP6f的敲入蚊子。转基因成年蚊子在投射到触角叶背内侧约60个嗅觉小球中的34个的触角和上颚须的感觉神经元中显示出GCaMP6f表达。研究人员还观察到，来自唇瓣并很可能来自腿部的投射到食管下区的感觉神经元中也存在GCaMP6f表达。结合为快速体积成像而定制的双光子显微镜和新的分析流程，该品系使研究人员能够以约4 Hz的频率捕获所有Orco+嗅觉小球中的气味诱发反应。
接下来，研究人员收集了天然气味，并开发了方法以在成像过程中忠实地将这些刺激物传递给蚊子。研究者从人类（n=8）、大鼠（n=2）、豚鼠（n=2）、鹌鹑（n=2）、羊毛（n=1）、狗毛（n=4）以及两种蚊子觉得有吸引力的与花蜜相关的刺激物——乳草花和蜂蜜中采集了气味样本。个人人类样本是单独保存的，而动物样本则按物种混合，以生成人类与动物比较的独立重复样本。在传递方面，大多数研究使用溶剂从吸附收集管中洗脱气味提取物，然后允许溶液从小瓶、隔膜或滤纸中蒸发。然而，混合物中的不同气味物质往往需要不同的溶剂，并且会根据挥发性以不同的速率从溶液中蒸发，从而随时间改变混合物的特性。因此，研究人员开发了一种基于热解吸的气味传递系统，使研究人员能够精确控制地将天然提取物直接从吸附管传递给蚊子。重要的是，研究人员能够匹配传递给同一只蚊子的不同样本的总气味浓度，并将同一样本的重复气团传递给不同的蚊子，同时保持原始的混合物比例。
【埃及伊蚊嗅觉回路成像的试剂与方法】
在低剂量和中剂量下，有三个嗅觉小球占主导地位。其中一个对所有三种物种的气味都有强烈反应（青色箭头），另一个对人类气味有强烈反应，但对动物气味不敏感或仅微弱敏感（绿色箭头）。第三个嗅觉小球对两种动物气味都有强烈反应，但对人类气味没有反应（橙色箭头）。研究者暂时将这些分别称为广泛调谐（B）、人类敏感（H）和动物敏感（A）嗅觉小球。尽管在每个宿主混合物的最高剂量下会激活其他嗅觉小球，并且可能存在低于研究人员制备敏感阈值的微弱反应，但这种模式的简单性给研究者留下了深刻印象。三个嗅觉小球的相对活性在浓度梯度上清晰地区分了人类和动物气味。
埃及伊蚊对人类而非动物的偏好在组内变异中依然稳健，即大多数人类的气味都比大多数动物更受欢迎。因此，研究人员检查了上述描述的嗅觉小球活动模式在组内变异中是否同样稳健，通过成像来自另外7个人类（共8个）、3种动物（共5种）和2种与花蜜相关的刺激物在单一浓度（1×）下的气味反应。B嗅觉小球再次对所有气味提取物，包括两种花蜜气味，都有强烈反应，而H和A嗅觉小球则分别对人类和动物气味有最强反应。因此，基于三个嗅觉小球活动的人类和动物气味的分离在组内变异中是稳健的。为确保没有错过Orco+嗅觉小球之间额外的辨别信号，研究人员还使用自动化流程来匹配和量化跨蚊子的尽可能多的嗅觉小球的反应。B、H和A嗅觉小球再次解释了1×浓度下的大部分变异。该分析还揭示了B嗅觉小球后侧的一个第四个嗅觉小球，它对所有脊椎动物气味都有反应，并可能是众所周知的1-辛烯-3-醇感知神经元的目标，这些神经元从触角须投射到这个区域。综上所述，研究结果表明，人类和动物的气味在埃及伊蚊触角叶中激活了不同的嗅觉小球组合，包括共享信号和选择性调节为人类或动物混合物的信号。
【人类和动物气味激活触角叶小球独特的组合】
对人类气味的神经反应必须可追溯到人类气味混合物的化学特征。人类气味混合物包含一系列来自皮肤分泌物、皮肤微生物群或两者相互作用的常见挥发性化合物。它们至少在两种或三种成分的相对含量上与动物气味混合物持续不同，但定量、跨物种的比较很少见，且通常只关注单一化合物。因此，还缺乏蚊子可能用于辨别的相对比例和其他化学特征的清晰图景。
为了填补这一空白，研究人员分析了用于成像的人类、动物和与花蜜相关的气味样品的组成，以及八种新的人类样品。重要的是，研究者量化了构成任何混合物中至少2%的所有化合物的含量，排除了酸（主要由非嗅觉受体途径感知）以及其他在同一框架内无法可靠量化的高极性或挥发性化合物（方法）。与先前的研究一致，脊椎动物气味主要由脂肪族醛类主导，而花蜜气味则富含萜烯类。正如预期，人类和动物气味几乎共享所有成分。
尽管混合物成分有所重叠，但人类和动物样本在混合物比例上始终存在差异，导致在主成分分析（PCA）中出现明显分离。PCA中人类-动物轴上的载荷表明，人类气味富含三种酮类：硫代环戊酮、香叶基丙酮和乙偶姻。人类气味还因其长链醛类癸醛（十个碳原子）的高相对含量和短链醛类己醛和庚醛（六个和七个碳原子）的低相对含量而脱颖而出。硫代环戊酮、香叶基丙酮和癸醛被广泛认为是人类气味中含量丰富的成分，但之前只有硫代环戊酮与动物气味相比具有一致的富集性。有趣的是，这三种化合物是角鲨烯和鲨烯酸的氧化产物，它们是人类皮脂的独特成分，可能在皮肤保护中发挥作用。
【人类与动物气味混合物在关键化合物相对浓度上存在差异】
为了将人类气味诱发的独特神经活动模式与其化学组成联系起来，研究人员使用标准方法进行了额外的合成气味剂和混合物成像实验。首先检查了对代表性人类样本的神经反应是否可以通过对其主要成分的单独或组合（组合混合物）反应来解释。研究人员考虑了人类样本中含量最丰富的11种化合物中的每一种，但有两个例外：香叶基丙酮被排除在外，因为它在实验室条件下不稳定；乙偶姻虽然单独使用，但并未包含在组合中，因为它需要不同的溶剂。研究人员仔细校准了每种刺激的液体稀释比，以产生在1倍浓度下具有人类气味样本特征的蒸气相浓度。
癸醛、十一醛以及包含癸醛和十一醛的组合刺激物均在H小球体中引发了强烈且持久的活动。B小球体被乙偶姻强烈激活，并被非乙偶姻化合物的组合混合物温和激活，这可能是许多微弱个体反应的总和。在生理浓度下，人类气味成分均未在A小球体中引发活动。先前的研究表明，埃及伊蚊对人类的选择性与硫代环戊酮敏感的受体有关。尽管在该化合物以1倍人类气味浓度存在时并未观察到一致的活动，但几个小球体在更高剂量下产生了反应，这表明该化合物在近距离行为中可能更为相关。综上所述，对1倍人类气味的触角叶反应在很大程度上可以通过对包括长链醛类和乙偶姻在内的一组感知主导成分的单独反应来解释。
【主要宿主气味分子对焦点小球的调节可解释对混合物的响应】
研究发现，人类气味富含长链醛类，这些醛类在蚊子大脑内一个选择性调节的嗅小球中引发强烈且持久的活动。这个嗅小球与另一个广泛调节的嗅小球的同时激活，驱动了强烈的宿主搜寻行为，从而产生了一个二元信号，该信号有可能解释在远距离下对人类气味而非动物气味的偏好。这一模式的简单性掩盖了潜在刺激的复杂性，并表明稀疏编码可能是先天嗅觉反应的一个普遍特征，即使是对多组分混合物也是如此。
该研究还揭示了蚊子可能用于区分宿主的化合物。大多数人将人体气味与汗液联系在一起，但研究发现对宿主区分至关重要的气味物质可能来源于皮脂，皮脂是一种在毛囊基部分泌的油性物质。皮脂成分往往具有物种特异性，且其分泌量在时间上相对稳定——无论是静息时还是活动时都保持较高水平。这些特性使皮脂衍生物成为寻找人类宿主的蚊子可靠的目标。有趣的是，尽管在人类个体之间的差异小于人类与动物之间的差异，但皮脂成分和长链醛水平在人类个体之间也存在差异。此外，在进行偏好测试的少数人中，那些长链醛水平接近人类平均水平的人比水平较低或较高的人更容易受到埃及伊蚊的攻击。这提出了一个有趣的可能性，即人类相对于动物的偏好进化可能会影响到蚊子在选择个体人类时的选择。总之，该研究为蚊子对人类的偏好以及动物大脑为区分复杂嗅觉刺激而进化的神经编码提供了新的见解。
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