Nature子刊：蝴蝶的大脑在采用一种新的觅食行为后变得更大了

　　

布里斯托尔大学的科学家们发现，蝴蝶的大脑在采用一种新的觅食行为后变得更大了。

它们大脑的一个区域，由于其形状而被称为蘑菇体，比它们的近亲大2到4倍。

今天发表在《自然通讯》上的研究结果表明，神经系统的结构和功能与生物体的生态位和行为密切相关。

布里斯托尔生物科学学院的斯蒂芬·蒙哥马利博士解释说:“蝴蝶是已知的唯一一种收集和消化花粉的蝴蝶，这给了它们成年后的蛋白质来源，而大多数其他蝴蝶只像毛毛虫一样获取蛋白质。”

“这种饮食的转变使Heliconius活得更久，但它们似乎只从低密度的特定植物物种中收集花粉。

“因此，了解这些植物的位置对它们来说是一种关键的行为，但要做到这一点，它们可能必须在支持空间记忆的神经结构和细胞上投入更多。”

该团队专注于蘑菇体扩张，感官特化和花粉摄食进化创新之间的关系。

这项研究包括对大规模大脑结构、大脑细胞组成和连通性的比较数据的独特综合，以及对跨物种行为的研究。

他们在中美洲和南美洲收集了30种取食花粉的Heliconius物种，以及11种来自密切相关属的物种，建立了大脑的3D模型。

测量了不同脑区的体积，并绘制了系统发育(家族)树图，以估计脑成分发生主要进化变化的位置。

然后，他们通过量化蘑菇体中神经元的数量和连接密度来研究神经回路的变化，并通过追踪大脑区域的神经输入来研究感觉专门化，这些区域负责处理视觉信息和嗅觉信息，然后将其发送到中央大脑。

最后，他们与巴拿马的史密森热带研究所合作，对关键物种进行了行为实验，以评估观察到的蘑菇体的扩张是否与视觉学习和记忆的改善有关。

一个引人注目的结果是，在这些密切相关的物种中，在相对较短的进化时间内观察到蘑菇体型大小的显著变化范围。在整个数据集中，蘑菇的体型大小相差25倍。

这提供了一个令人信服的例子，说明在行为适应的强烈选择约束下，特定的大脑结构如何在进化时间内独立变化，即所谓的马赛克进化。

蒙哥马利博士补充说:“我们发现蘑菇体大小的变化是由于‘凯尼恩细胞’数量的增加，这种神经元构成了蘑菇体的大部分，它们的相互作用被认为是记忆储存的基础，同时视觉系统的输入也增加了。”

“蘑菇体的扩张和视觉专业化伴随着视觉学习和记忆能力的增强。通过这种数据类型的综合，我们提供了一个清晰的例子，说明一种新的觅食行为与大脑的适应和相关的认知转变相吻合。”

该研究的主要作者之一、布里斯托大学的Antoine Couto博士说:“这项研究揭示了蝴蝶的大脑结构，特别是蘑菇体，是如何经历了与它们专门的觅食行为密切相关的显著变化的。”

“这些蝴蝶已经进化出更大的蘑菇体，具有增强的视觉处理能力，使它们能够区分复杂的视觉模式，并在较长时间内保持视觉记忆。这些发现强调了自然界中大脑进化和行为适应之间的迷人联系。”

共同主要作者弗莱彻·杨博士补充说:“这项研究提供了罕见的神经生物学和行为数据的结合，涉及近亲物种，揭示了一个清晰的例子，即大脑在相对较短的时间内发生了显著的进化变化，同时视觉学习和记忆能力也有所提高。”确定大脑适应和行为转变之间的这种关系对我们理解认知进化至关重要。”

蒙哥马利博士总结道:“我们提供的证据表明，即使是生活在同一栖息地的近亲物种，大脑结构也会以惊人的方式变化。

“在这个例子中，一套行为的创新导致了大脑中关键学习和记忆中心的急剧扩张，我们表明这些神经变化与认知能力的实质性增强同时发生。”

“我们假设这些行为差异要么反映了对觅食行为选择的直接反应，要么反映了蝴蝶为周围环境提取的信息，以指导它们的行为。”

了解蝴蝶的大脑解剖、感觉处理和觅食行为之间的关系，不仅可以为昆虫的学习和记忆机制的进化提供见解，还可以为其他动物的学习和记忆机制的进化提供见解，因为蘑菇体的功能和电路与脊椎动物的大脑有一些相似之处。因此，这些蝴蝶提供了一个很好的系统，在这个系统中，我们可以探索具有广泛相关性的学习和记忆的神经基础。

文章标题

Rapid expansion and visual specialisation of learning and memory centers in the brains of Heliconiini butterflies