棉铃虫幼虫外周和中间神经元对味觉刺激信息的识别模式

The stimulus-perception pattern of gusgatory neurons in peripheral and central nervous system (CNS) is one of the key factors for illuminating the taste chemosensory mechanism in insects. Our primary studies showed the projection targets of peripheral sensillum styloconica in the mouthpart of Helicoverpa armigera larvae to the central nervous system are the suboesophageal ganglion (SOG）and tritocerebrum. But it is still not clear whether the projection sites were diferent origining from different gustatory receptor neurons, e.g.the phagostimulants neurons and the deterrent neurons, as well as how the CNS intergrate the gustatory information from the peripheral nervous system. In this apllication project, the projection sites of specific gustatory receptor neurons origning from peripheral sensillum styloconica to the CNS will be investigated by using the Agmatione-Cell-Activity-Dependent-Labling technique. Furthermore, the peception pattern of interneurons in CNS integrating the taste information origining from the periheral neurons systerm will be explored by introcellular recording conjugated to the neuron-labling techeque. Then the spacial relationship of the projection neurons and the interneurons coding different stimulants will be compared based on the model of three-dimensional digital standard brain atlases of H. armigera 5th instar larvae constructed in the last NSFC project. This project may lay a foundation for illuminating the perception pattern of gustatory neurons both in peripheral sensillum stylonocica and the interneurons of CNS of lepidopteran insects.

阐述昆虫外周神经系统和中枢神经系统味觉神经元识别刺激信息的模式是揭示昆虫化学感受机制的重要内容之一。申请人前期从单感受器的水平上阐述了鳞翅目昆虫棉铃虫Helicoverpa armigera幼虫外周味觉栓锥感器在中枢神经系统（CNS）的投射区域为咽下神经节和后脑，但是尚不明了感器内不同类别的神经元如激食剂神经元和忌避剂神经元在CNS的投射位点是否存在差异以及CNS如何进一步整合这些刺激信息。本申请项目拟首先利用胍丁胺细胞活性依赖标记技术从神经元的水平上分析棉铃虫幼虫外周栓锥感器内不同类别的受体神经元在CNS的投射位点；进一步，利用细胞内记录技术分析CNS中间神经元对不同外界刺激的响应模式；再结合前期建立的棉铃虫幼虫脑三维数字化模型分析不同类别的外周和中间神经元在CNS内的空间关系。最终阐述棉铃虫幼虫从外周受体神经元到中枢中间神经元识别味觉刺激物质的模式。

阐述昆虫周缘神经系统和中枢神经系统（central nervous system, CNS）味觉神经元识别刺激信息的模式是揭示昆虫化学感受机制的重要内容之一。本项目分别利用单感受器记录技术、细胞内记录技术、神经元示踪技术、免疫组化技术、激光共聚焦扫描技术以及双向叶碟法等技术等分析了棉铃虫Helicoverpa armigera幼虫周缘神经系统和CNS神经元对不同刺激物质的味觉编码模式。主要结果为：（1）首次发现了一定浓度棉酚和番茄苷能够刺激棉铃虫幼虫的取食，而尼古丁和辣椒素则抑制幼虫的取食，具有一定的应用价值；棉铃虫幼虫口器下颚外颚叶上味觉栓锥感器内存在对激食素和拒食剂敏感的味觉受体神经元（Gustatory receptor neurons, GRNS），其对刺激物质的编码模式属于“标记线性”（labeled model）,即对一个神经元只对一类刺激物质兴奋；（2）对CNS的神经节的结构进行了详细分区和描述，共将咽下神经节（SOG）划分为32个小区；（3）采用微电极细胞内记录结合神经元的染色示踪技术，棉铃虫幼虫SOG内神经元主要可分为五类，分别为受体神经元（GRNs）、投射神经元（projection neurons）、局域神经元（local neurons）、运动神经元（motor neurons）和下行神经元（descending neurons）；（4）CNS内味觉神经元对不同刺激物质的模式则是“多模式”并存现象，既存在“标记线性”模式，又存在“跨纤维”编码模式，既不同神经元对一类物质敏感，还存在一个神经元兴奋性和抑制性并存的共6类编码模式。（5）结合口器单感受器记录、CNS细胞内记录和神经元示踪技术，发现对应于周缘活性神经元的CNS内兴奋性和抑制性神经元的空间投射位点存在显著差异。总之，我们的研究显示棉铃虫幼虫周缘和中枢神经系统对刺激物质的编码模式是不同的，周缘神经系统单个神经元在CNS内存在多个神经元“对接”现象，且苦味神经元和甜味神经元在CNS的最终信息处理中枢位点不同。本研究是首次从周缘神经系统和中枢神经系统对鳞翅目昆虫幼虫味觉编码刺激物质的方式进行梳理的研究，具有原始创新性。