科學家們設計了第一個轉(zhuǎn)基因螞蟻，以深入了解螞蟻的嗅覺系統(tǒng)。他們發(fā)現(xiàn)報警信息素只激活系統(tǒng)中的特定區(qū)域，從而挑戰(zhàn)了以前對螞蟻氣味數(shù)據(jù)處理的理解。這一突破使得人們可以進一步探索螞蟻的社會行為。

【資料圖】

兩只畢氏粗角蟻蟻蛹的合成圖，其中一只轉(zhuǎn)基因的，在其位于大腦觸角和觸角葉的嗅覺神經(jīng)元中表達綠色熒光鈣指標GCaMP。資料來源：洛克菲勒大學社會進化和行為實驗室

螞蟻利用一系列的氣味受體和被稱為信息素的化學信號來導航它們豐富的芳香世界。無論是覓食還是保衛(wèi)巢穴，交配還是照顧幼仔，螞蟻在其一生中都會發(fā)送和接收化學信號。螞蟻的大腦在處理大量的氣味方面有多么好的裝備，凸顯了這個系統(tǒng)的重要性： 例如，螞蟻大腦中的嗅覺處理中心有10倍于果蠅的分區(qū)，盡管它們的大腦大小基本相同。

然而，螞蟻的嗅覺系統(tǒng)是如何編碼氣味數(shù)據(jù)的，在很大程度上仍然是未知的。為了揭開這個謎團，洛克菲勒大學的研究人員開發(fā)了世界上第一批轉(zhuǎn)基因螞蟻，這些螞蟻被培育出了嗅覺神經(jīng)元，這些神經(jīng)元在對氣味物質(zhì)作出反應時閃爍綠色。他們于6月14日在《細胞》雜志上發(fā)表了他們的成果。

與以前的研究結果相反，該研究發(fā)現(xiàn)只有嗅覺系統(tǒng)的少數(shù)特定區(qū)域在對報警信息素的反應中亮起，這些危險信號會引起恐慌和巢穴的撤離。這些結果提出了關于螞蟻大腦如何處理感官信息的問題--以及揭示其他數(shù)百種氣味受體的誘人可能性。

洛克菲勒大學社會進化和行為實驗室主任丹尼爾-克羅瑙爾說："在過去的幾十年里，神經(jīng)遺傳學工具已經(jīng)徹底改變了果蠅的神經(jīng)科學領域，而社會昆蟲的神經(jīng)科學卻基本上被卡住了，我們的技術突破現(xiàn)在終于使我們能夠在螞蟻中應用這些強大的工具來研究它們的社會行為。"

氣味的世界

1958年，威爾遜（E. O. Wilson）報告說，收割機螞蟻下頜腺的一種分泌物觸發(fā)了它們的巢穴，使它們加快步伐，并采取群體性防御行為。他把這種反應稱為"警報行為"。從那時起，科學家們已經(jīng)記錄了警報行為和螞蟻群中許多其他復雜的社會活動是由大量信息素調(diào)節(jié)的。

螞蟻的嗅覺感受器位于其觸角的神經(jīng)元上，這些神經(jīng)元將其輸入到稱為觸角葉的大腦中心。螞蟻的觸角葉由專門的結構組成，這些結構被稱為小體，對氣味處理至關重要。一些螞蟻有超過500個小體--這被認為是與它們感知和分辨信息素的高度能力有關。Kronauer實驗室以前的工作表明，氣味受體被敲除的螞蟻不能對信息素信號作出反應。

在這項研究中，研究人員通過向畢氏粗角蟻 - 一種完全由盲目的雌性工人組成的無王后物種--的卵子注射編碼合成蛋白GCaMP的遺傳物質(zhì)來創(chuàng)造他們的轉(zhuǎn)基因?qū)ο?，當細胞活動中鈣水平發(fā)生變化時，該蛋白會亮起霓虹綠。

"我們的目標是讓GCaMP只在單一細胞類型--嗅覺神經(jīng)元中表達，"主要作者、丹尼爾-克羅瑙爾實驗室的一名研究員泰勒-哈特說。

這一點很重要，因為觸角葉是由多種細胞類型組成的：感覺神經(jīng)元、將感覺數(shù)據(jù)帶到大腦其他部位的投射神經(jīng)元，以及將一切聯(lián)系在一起的側向神經(jīng)元。哈特說："那些其他類型的細胞會使信噪比變差，因為它們可能在做其他活動，如計算、處理信息和調(diào)制信號。所有這些都會掩蓋嗅覺神經(jīng)元正在做的事情。"

找到恐慌的按鈕

在成功培育出一小群在嗅覺神經(jīng)元中表達GCaMP的螞蟻的同時，該團隊還開發(fā)了一種復雜的雙光子鈣成像技術，使他們能夠首次記錄活螞蟻整個觸角葉的神經(jīng)活動。

研究人員決定把重點放在報警信息素上，因為它們特別容易揮發(fā)，并能引起強烈而有力的行為反應。他們發(fā)現(xiàn)，檢測到這些氣味的成年螞蟻立即爭先恐后地將盡可能多的卵收集到它們的下顎中，然后逃之夭夭，逃到試驗室的一個鄰近區(qū)域。

哈特和她的團隊隨后利用他們的新技術監(jiān)測了22只轉(zhuǎn)基因螞蟻的觸角葉中的GCaMP熒光水平，因為他們將這些螞蟻暴露在一系列氣味中，包括警報信息素（人類鼻子聞起來有果味）。這些閃光聚集在一個區(qū)域的六個小體中，表明該區(qū)域可能充當大腦的恐慌按鈕。

哈特說："我們本來以為觸角葉的很大一部分會對這些報警信息素顯示出某種反應。相反，我們看到，這些反應是極其局部的。大部分的觸角葉根本沒有反應。"

這些發(fā)現(xiàn)揭示了關于螞蟻大腦如何處理感覺輸入的細節(jié)。研究人員想知道這種活動是私有化的，每個小體只對一個或幾個特定的刺激作出反應，還是分布式的，由一個刺激激活的小體組成的獨特組合。哈特說，一個擁有500多個小體的大腦以分布式方式運作，數(shù)百個傳感器同時啟動，當涉及到感覺處理時將需要非凡的計算能力。

未來的工具

考慮到500個小體中只有6個有反應，哈特想知道："它們需要所有這些不同的小體做什么？果蠅只需要50個就可以了。"

Kronauer說，現(xiàn)在將更容易找出螞蟻比其他昆蟲更需要區(qū)分氣味刺激的原因，這不僅是因為哈特此后培育了數(shù)百只轉(zhuǎn)基因螞蟻，它們與野生螞蟻的區(qū)別僅在于它們的熒光信號能力，為未來的研究提供了一個強大的庫。

他說："泰勒開發(fā)的工具開辟了一個真正的大范圍問題，而這些問題直到現(xiàn)在我們還無法觸及。這些問題包括將特定的小體與螞蟻用于突襲、招募和區(qū)分巢友和外來者的各種信息素聯(lián)系起來。"還有一些有趣的發(fā)育問題，即螞蟻的嗅覺系統(tǒng)是如何組裝起來的，因為它是如此復雜。幼蟲也有嗅覺神經(jīng)元，所以現(xiàn)在我們可以看一下它們的感覺能力。"

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