蜜蜂大脑的进化

研究人员提出了一种新模型，用于研究膜翅目昆虫中高级大脑功能和行为的进化。该团队比较了“原始”锯蝇和复杂蜜蜂的蘑菇体(昆虫大脑中参与学习、记忆和感觉统合的部分)中的一种神经元细胞 Kenyon 细胞。他们发现蜜蜂大脑中的三种不同的、专门的 Kenyon 细胞亚型似乎是从一个单一的、多功能的 Kenyon 细胞亚型祖先进化而来的。将来，这项研究可以帮助我们更好地了解我们自己的一些高级大脑功能和行为的演变。

你是“像蜜蜂一样忙碌”、“交际花”还是“墙上的苍蝇”?我们有很多方法可以将我们的行为与昆虫的行为进行比较，事实证明，这可能不仅仅是有趣的成语。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高度进化的动物(包括我们自己)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以及神经和遗传变化是随着时间共同发展的。相比之下，昆虫的大脑要小得多，也简单得多，这使它们成为有用的研究模型。

“2017 年，我们报告说，随着膜翅目(一种种类繁多的昆虫)的行为多样化，昆虫大脑中蘑菇体中 Kenyon 细胞 (KC) 亚型的复杂性增加，”科学研究生院的 Takeo Kubo 教授解释说。东京大学和当前研究的共同作者。“换句话说，昆虫的 KC 亚型越多，它的大脑和可能表现出的行为就越复杂。但我们不知道这些不同的亚型是如何进化的。这就是这项新研究的刺激因素。”

东京大学和国家农业与食品研究组织 (NARO) 的团队选择了两种膜翅目物种作为不同行为的代表：独居萝卜锯蝇(具有单一 KC 亚型)和复杂的群居蜜蜂(具有单一 KC 亚型)三种 KC 亚型)。由于锯蝇有一个更“原始”的大脑，它被认为包含蜜蜂大脑的一些祖先特性。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。

“令我惊讶的是，蜜蜂的三种 KC 亚型中的每一种都与锯蝇中的单一 KC 亚型具有相当的相似性，”科学研究生院的合著者 Hiroki Kohno 助理教授说。“根据我们对几个基因的初步比较分析，我们之前假设已经一个一个地添加了额外的 KC 亚型。然而，通过功能隔离和专业化，它们似乎已从多功能祖先类型中分离出来。” 随着 KC 亚型数量的增加，每个亚型几乎均等地从祖先的 KC 中继承了一些不同的特性。然后以不同的方式对它们进行修改，从而产生了它们不同的现代功能。

研究人员想要一个具体的行为示例，说明祖传 KC 功能如何同时存在于锯蝇和蜜蜂中。因此，他们训练锯蝇进行常见的蜜蜂行为测试，学习将气味刺激与奖励联系起来。尽管一开始很有挑战性，但该团队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，该基因在蜜蜂中与长期记忆的形成有关，这是一种 KC 功能。当幼虫成年后，它们的长期记忆受损，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)，在蜜蜂中，它优先在仅一种 KC 亚型中表达。这表明CaMKII在长期记忆中的作用被传递给蜜蜂中的特定 KC 亚型。

尽管昆虫和哺乳动物大脑的大小和复杂性不同，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身行为的进化。接下来，该团队有兴趣研究与社会行为同时获得的 KC 类型，例如蜜蜂的“摇摆舞”。

“我们想澄清这里提出的模型是否适用于其他行为的演变，”科学研究生院的博士生和主要作者 Takayoshi Kuwabara 说。“关于控制社会行为的神经基础，无论是在昆虫、动物还是人类中，都有许多谜团。它是如何演变的仍然很大程度上未知。我相信这项研究是该领域的开创性工作。”