世界上第一只转基因蚂蚁揭示了蚁群对警报的反应
蚂蚁使用一系列气味受体和称为信息素的化学信号在它们丰富的芳香世界中航行。无论是觅食还是保卫巢穴、交配还是照料幼崽，蚂蚁一生都在发送和接收化学信号。这个系统的重要性体现在蚂蚁大脑处理大量气味的能力：蚂蚁大脑中的嗅觉处理中心的细分数量是果蝇的 10 倍，例如，尽管它们的大脑大约是相同的大小。
然而，蚂蚁嗅觉系统如何编码气味数据在很大程度上仍然未知。为了揭开这个谜团，洛克菲勒大学的研究人员培育出了世界上第一批转基因蚂蚁，这些蚂蚁的嗅觉感觉神经元对气味有反应，呈绿色闪烁。他们 在Cell上发表了 他们的结果 。
与之前的研究结果相反，该研究发现，只有少数嗅觉系统的特定区域会响应警报信息素而亮起，警报信息素是引发恐慌和巢穴疏散的危险信号。结果提出了关于蚂蚁大脑如何处理感觉信息的问题，以及揭示数百种其他气味受体在做什么的诱人可能性。
“在过去的几十年里，神经遗传学工具彻底改变了果蝇神经科学领域，而社会昆虫神经科学基本上停滞不前，”洛克菲勒社会进化与行为实验室负责人 Daniel Kronauer 说。“我们的技术突破现在终于让我们能够在蚂蚁身上应用这些强大的工具来研究它们的社会行为。”
气味的世界
1958 年，EO Wilson 报告说，收割蚁下颌腺的一种分泌物促使它们的同巢伙伴加快步伐并采取群体防御行为。他称这种反应为“警报行为”。从那时起，科学家们记录了蚁群中的警报行为和许多其他复杂的社会活动受到大量信息素的调节。
蚂蚁的嗅觉感受器位于它们触角的神经元上，这些神经元将它们的输入发送到称为触角叶的大脑中心。触角叶由称为肾小球的特殊结构组成，对气味处理至关重要。有些蚂蚁有超过 500 个肾小球——这一数目被认为与它们感知和区分信息素的能力增强有关。Kronauer 实验室之前的工作表明，气味受体被敲除的蚂蚁无法对信息素信号做出反应。
在这项研究中，研究人员通过将编码合成蛋白 GCaMP 的遗传物质注入克隆入侵者蚂蚁(一种完全由盲人雌性工蚁组成的无蚁后物种)的卵中来创建他们的转基因受试者，当细胞活动期间钙水平发生变化时，GCaMP 会亮起霓虹绿.
“我们的目标是让 GCaMP 仅在一种细胞类型——嗅觉感觉神经元中表达，”主要作者、丹尼尔克罗瑙尔实验室的研究员泰勒哈特说。
这很重要，因为触角叶由多种细胞类型组成：感觉神经元、将感觉数据传送到大脑其他部分的投射神经元，以及将一切连接在一起的外侧中间神经元。“那些其他类型的细胞会使信噪比变差，因为它们可以进行其他活动，例如计算、处理信息和调制信号，”哈特说。所有这些都会掩盖嗅觉神经元在做什么。
寻找紧急按钮
在成功培育出一小群在嗅觉感觉神经元中表达 GCaMP 的蚂蚁的同时，该团队还开发了一种复杂的双光子钙成像技术，使他们能够首次记录活体蚂蚁整个触角叶的神经活动。
研究人员决定将重点放在警报信息素上，因为它们特别不稳定，会引发强烈而稳健的行为反应。他们发现，检测到气味的成年蚂蚁立即争先恐后地在它们的下颌骨中收集尽可能多的卵，然后为它挣脱，逃到测试室的相邻部分。
Hart 和她的团队随后使用他们的新技术监测 22 只转基因蚂蚁触角叶中的 GCaMP 荧光水平，因为它们将它们暴露在一系列气味中，包括警报信息素(人类鼻子闻起来有水果味)。闪光聚集在一个区域的六个肾小球中，表明该区域可能充当大脑的紧急按钮。
“我们预计大部分触角叶会对这些警报信息素做出某种反应，”哈特说。“相反，我们看到反应非常本地化。大部分触角叶根本没有反应。”
哈特说，这些发现揭示了蚂蚁大脑如何处理感官输入的细节。研究人员想知道这种活动是私有化的，即每个肾小球只对一种或几种特定刺激作出反应，还是分布式的，即刺激激活的肾小球的独特组合。哈特说，一个大脑有 500 多个以分布式方式运作的肾小球，同时有数百个传感器发射信号，在处理感觉时需要非凡的计算能力。
“我们测试的大多数气味只激活了总肾小球的一小部分，”她说。“似乎私有化是蚂蚁触角中的方式。”
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