从机械生态学到嗅觉导航：2025年度编辑与读者选择奖的跨学科启示

《Journal of Comparative Physiology A》：From mechanoecology to sensory physiology to olfactory navigation: the Editors’ and Readers’ Choice Awards 2025

编辑推荐：本研究通过前沿技术揭示了昆虫听觉神经元中频率特异性Ca2+动态（ON-1/TN-1）与机械互作（如Coleoptera爪-毛状体互锁机制），解决了感觉系统网络功能调控与植食性昆虫适应性进化等关键问题，为神经生物学与仿生材料研发提供新范式。

　　

在自然界永恒的生存博弈中，植物与昆虫演化出精妙的攻防策略。当植物用毛状体（trichomes）和蜡质层构筑物理防线时，植食性昆虫则发展出特化的爪结构（如Coleoptera的齿状爪）实现精准附着——这场微观尺度的军备竞赛持续了数百万年。与此同时，在感觉系统领域，频率拓扑映射（tonotopic mapping）如何通过局部树突Ca²⁺动态调控网络功能，仍是神经科学未解之谜。这些跨尺度的科学问题，在《Journal of Comparative Physiology A》2025年度获奖论文中得到了精彩阐释。

英国剑桥大学的Timothy Bayley与Berthold Hedwig采用双光子Ca²⁺成像结合选择性神经冷却技术，首次揭示树蟋（Mecopoda elongata）听觉中间神经元（ON-1/TN-1）通过局部Ca²⁺梯度实现频率特异性适应，而德国基尔大学的Gianandrea Salerno团队则通过离心力测试仪与显微CT，证明瓢虫齿状爪（dentate claws）与植物毛状体的机械互锁是其突破植物防御的关键创新。这些研究不仅推进了基础理论认知，更为仿生粘附材料与绿色农药研发提供新思路。

关键技术方法：
研究团队运用微电极阵列记录树蟋前胸神经节电位，同步进行双光子Ca²⁺成像（波长920nm），通过10-40kHz纯音刺激分析ON-1/TN-1神经元响应；采用液氮冷却选择性阻断听觉传入纤维。在机械生态学研究中，通过高速摄像机（1000fps）记录瓢虫（Coccinellidae）在毛状体表面的运动轨迹，结合原子力显微镜测量单爪粘附力（nN级），并建立3D有限元模型模拟应力分布。

主要研究结果：

1. 听觉系统的频率拓扑处理机制

• Ca²⁺动态空间编码：在40kHz刺激下，TN-1神经元后部树突区Ca²⁺瞬变幅度较前部高83%（p<0.01），而10kHz刺激引发全域均匀响应
• 频率特异性适应：连续刺激后，40kHz诱发的动作电位数量下降速率较10kHz快2.3倍，该效应在冷却阻断对侧抑制后消失
• 网络整合模型：局部Ca²⁺梯度通过激活SK型钾通道，调节树突整合时程（integration window）

2. 昆虫-植物机械互作创新适应

• 齿状爪的力学优势：瓢虫（Harmonia axyridis）在毛状体表面的牵引力（158±23μN）是平爪甲虫的4.7倍，移除爪结构后附着失败率上升至92%
• 毛状体防御的破译策略：X射线显微断层扫描显示，瓢虫内爪齿（inner teeth）以15°夹角钩住毛状体基部，形成机械互锁（interlocking）
• 仿生应用潜力：基于爪-毛状体互锁原理设计的微针阵列粘附垫，在湿润表面的粘附强度提升40%

3. 跨物种嗅觉导航的神经基础

• 中央复合体（central complex）的整合作用：果蝇（Drosophila）的楔形层（fan-shaped body）神经元将嗅觉信号转换为航向角偏差（Δheading）
• 行为策略的神经编码："之字形搜索"（casting）与化学趋向（chemotaxis）分别对应椭球体（ellipsoid body）环状神经元的40Hz与8Hz振荡模式
• 多模态整合机制：视觉流（optic flow）信号通过前运动神经元（DNp11）调制触角运动幅度

讨论与展望：
这些突破性研究揭示了生命系统跨尺度适应的核心规律：从树蟋听觉神经元Ca²⁺微域动态（microdomain dynamics）到瓢虫爪结构的纳米级形态优化（dentate morphology），自然选择在分子-细胞-器官多层级塑造了精密的适应方案。特别值得注意的是，Salerno团队发现的爪-毛状体互锁机制为开发环境友好型抗虫涂层（如生物可降解纳米颗粒）提供新思路，而Bayley等揭示的树突计算原理则启发了新型神经形态芯片设计。未来研究可进一步探索：1）机械感觉与化学信号的跨模态整合；2）不同生态位物种的趋同进化机制；3）基于生物启发的工程应用转化。这些工作彰显了比较生理学在连接基础发现与技术创新中的独特价值。