蜜蜂大脑的进化

　　

   

   

研究人员研究了表现出不同行为的蜜蜂:觅食蜂、看护蜂和蜂后。100多年来，蜜蜂一直是更好地理解学习和记忆的关键昆虫模型。来源:Hiroki Kohno

你是“像蜜蜂一样忙碌”、“交际花”还是“墙上的苍蝇”?我们在很多方面将自己的行为与昆虫的行为进行比较，而事实证明，这可能不仅仅是有趣的习语。研究昆虫不仅可以帮助我们了解它们的行为是如何进化的，还可以帮助我们了解包括人类在内的高度进化动物的行为。哺乳动物的大脑又大又复杂，因此很难确定哪些行为、神经和基因变化是随着时间的推移共同发展的。相比之下，昆虫的大脑要小得多，也简单得多，这使它们成为研究的有用模型。

研究人员提出了一种膜翅目昆虫高级脑功能和行为进化的新模型。研究小组比较了“原始”锯蝇和复杂蜜蜂的蘑菇体(昆虫大脑中参与学习、记忆和感觉整合的一部分)中的凯尼恩细胞(一种神经细胞)。他们发现，蜜蜂大脑中的三种不同的、特化的凯尼恩细胞亚型似乎是从一个单一的、多功能的凯尼恩细胞亚型祖先进化而来的。在未来，这项研究可以帮助我们更好地理解我们自己的一些高级大脑功能和行为的进化。

“2017年，我们报告说，昆虫大脑中蘑菇体中凯尼恩细胞(KC)亚型的复杂性随着膜翅目昆虫(一种庞大而多样的昆虫)的行为多样化而增加，”东京大学科学研究生院的Takeo Kubo教授解释说，他是当前研究的合著者。换句话说，昆虫的KC亚型越多，它的大脑和行为就越复杂。但我们不知道这些不同的亚型是如何进化的。这是这项新研究的刺激因素。”

来自东京大学和日本国家农业和食品研究组织(NARO)的研究小组选择了两种膜翅目昆虫作为不同行为的代表:独居的萝卜锯蝇(只有一种KC亚型)和复杂的社会蜜蜂(有三种KC亚型)。由于锯蝇有一个更“原始”的大脑，它被认为包含了蜜蜂大脑的一些祖先属性。为了揭示它们之间潜在的进化途径，研究人员使用转录组分析来识别各种KC亚型的基因表达谱(遗传活性)并推测它们的功能。

“我很惊讶，蜜蜂中的三种KC亚型中的每一种都与锯蝇中的单一KC类型表现出相当的相似性，”科学研究生院的合著者助理教授Hiroki Kohno说。“基于我们对几个基因的初步比较分析，我们之前认为已经一个接一个地添加了额外的KC亚型。然而，它们似乎是通过功能分离和专业化从多功能祖先类型中分离出来的。”随着KC亚型数量的增加，每个亚型几乎都从祖先的KC中继承了一些不同的特性，然后这些特性以不同的方式改变，导致它们今天的不同功能。

研究人员想要一个具体的行为例子来说明祖先的KC功能是如何在锯蝇和蜜蜂中出现的。因此，他们训练锯蝇参与一项普通的蜜蜂行为测试，让它们学会将气味刺激与奖励联系起来。虽然一开始很有挑战性，但研究小组最终还是让锯蝇参与了记忆任务。然后，研究人员在锯蝇幼虫中操纵了一种名为CaMKII的基因，这种基因在蜜蜂中与形成长期记忆有关，这是一种KC功能。当幼虫成年后，它们的长期记忆受损，这表明该基因在锯蝇和蜜蜂中起着相似的作用。虽然CaMKII在锯蝇的整个单一KC亚型中表达(即活跃)，但在蜜蜂中，它只优先表达在一种KC亚型中。这表明CaMKII在长期记忆中的作用传递给了蜜蜂中特定的KC亚型。

尽管昆虫和哺乳动物的大脑在大小和复杂程度上存在差异，但在神经系统的功能和基本结构方面存在共同点。这就是为什么本研究中提出的KC亚型进化和多样化模型可能有助于更好地理解我们自己行为的进化。接下来，该团队对研究与社会行为并行获得的KC类型感兴趣，例如蜜蜂的“摇摆舞”。

“我们想弄清楚这里提出的模型是否适用于其他行为的进化，”科学研究生院的博士生和主要作者Takayoshi Kuwabara说。“无论是昆虫、动物还是人类，控制社会行为的神经基础仍有许多未解之谜。它是如何进化的在很大程度上仍然是未知的。我相信这项研究是该领域的开创性工作。”

Evolutionary dynamics of mushroom body Kenyon cell types in hymenopteran brains from multi-functional type to functionally specialized types.