蜜蜂大脑进化的新模型

研究人员提出了一种新的模型，用于昆虫膜翅目中高级大脑功能和行为的进化。研究小组比较了“原始”锯蝇和复杂蜜蜂蘑菇体内的Kenyon细胞，这是一种神经元细胞(参与学习，记忆和感觉统合的昆虫大脑的一部分)。

他们发现蜜蜂大脑中的三种不同的，专门的Kenyon细胞亚型似乎是从单一的，多功能的Kenyon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了解我们自己一些高级大脑功能和行为的进化。

你是“像蜜蜂一样忙碌”、“社交蝴蝶”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的行为，包括我们自己。

哺乳动物的大脑庞大而复杂，因此很难确定哪些行为以及神经和遗传变化随着时间的推移而共同发展。相比之下，昆虫的大脑更小，更简单，使它们成为有用的研究模型。

“2017年，我们报道了昆虫大脑中蘑菇体内Kenyon细胞(KC)亚型的复杂性随着膜翅目(昆虫的大而多样的目)的行为多样化而增加，”东京大学理学研究生院的Takeo Kubo教授解释说，他是目前发表在Science Advances上的研究的合著者。

“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。

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物种作为不同行为的代表：孤独的萝卜锯蝇(具有单个KC亚型)和复杂的社会蜜蜂(具有三个KC亚型)。

由于锯蝇有一个更“原始”的大脑，它被认为含有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鉴定各种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亚型中的每一种都显示出与锯蝇中的单一KC类型的相似性，”科学研究生院的合著者助理教授Hiroki Kohno说。“根据我们对几个基因的初步比较分析，我们以前认为已经一个接一个地添加了额外的KC亚型。然而，他们似乎已经通过功能隔离和专业化与多功能祖先类型分离出来。

随着KC亚型数量的增加，每个亚型几乎平等地从祖先KC继承了一些不同的特性。然后以不同的方式修改它们，导致它们现在的功能各不相同。

研究人员想要一个具体的行为示例，说明祖先KC功能如何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，在那里他们学会将气味刺激与奖励联系起来。虽然一开始具有挑战性，但团队最终能够让锯蝇参与记忆任务。

然后，研究人员在锯蝇幼虫中操纵了一种名为CaMKII的基因，该基因在蜜蜂中与形成长期记忆(KC功能)有关。当幼虫成年时，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。尽管CaMKII在锯蝇的整个单个KC亚型中表达(即活跃)，但在蜜蜂中，它仅在一种KC亚型中优先表达。这表明CaMKII在长期记忆中的作用已传递给蜜蜂的特定KC亚型。

尽管昆虫和哺乳动物大脑的大小和复杂性存在差异，但在功能和神经系统的基本结构方面存在共性。这就是为什么本研究中提出的KC亚型进化和多样化的模型可能有助于更好地了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并行获得的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进化，”理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有很多谜团，无论是昆虫、动物还是人类。它是如何演变的仍然在很大程度上仍然未知。我相信这项研究是这一领域的开创性工作。

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