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科学家们设计了第一个转基因蚂蚁，以深入了解蚂蚁的嗅觉系统。他们发现报警信息素只激活系统中的特定区域，从而挑战了以前对蚂蚁气味数据处理的理解。这一突破使得人们可以进一步探索蚂蚁的社会行为。
两只毕氏粗角蚁蚁蛹的合成图，其中一只转基因的，在其位于大脑触角和触角叶的嗅觉神经元中表达绿色荧光钙指标GCaMP。资料来源：洛克菲勒大学社会进化和行为实验室
【资料图】
蚂蚁利用一系列的气味受体和被称为信息素的化学信号来导航它们丰富的芳香世界。无论是觅食还是保卫巢穴，交配还是照顾幼仔，蚂蚁在其一生中都会发送和接收化学信号。蚂蚁的大脑在处理大量的气味方面有多么好的装备，凸显了这个系统的重要性： 例如，蚂蚁大脑中的嗅觉处理中心有10倍于果蝇的分区，尽管它们的大脑大小基本相同。
然而，蚂蚁的嗅觉系统是如何编码气味数据的，在很大程度上仍然是未知的。为了揭开这个谜团，洛克菲勒大学的研究人员开发了世界上第一批转基因蚂蚁，这些蚂蚁被培育出了嗅觉神经元，这些神经元在对气味物质作出反应时闪烁绿色。他们于6月14日在《细胞》杂志上发表了他们的成果。
与以前的研究结果相反，该研究发现只有嗅觉系统的少数特定区域在对报警信息素的反应中亮起，这些危险信号会引起恐慌和巢穴的撤离。这些结果提出了关于蚂蚁大脑如何处理感官信息的问题--以及揭示其他数百种气味受体的诱人可能性。
洛克菲勒大学社会进化和行为实验室主任丹尼尔-克罗瑙尔说："在过去的几十年里，神经遗传学工具已经彻底改变了果蝇的神经科学领域，而社会昆虫的神经科学却基本上被卡住了，我们的技术突破现在终于使我们能够在蚂蚁中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，威尔逊（E. O. Wilson）报告说，收割机蚂蚁下颌腺的一种分泌物触发了它们的巢穴，使它们加快步伐，并采取群体性防御行为。他把这种反应称为"警报行为"。从那时起，科学家们已经记录了警报行为和蚂蚁群中许多其他复杂的社会活动是由大量信息素调节的。
蚂蚁的嗅觉感受器位于其触角的神经元上，这些神经元将其输入到称为触角叶的大脑中心。蚂蚁的触角叶由专门的结构组成，这些结构被称为小体，对气味处理至关重要。一些蚂蚁有超过500个小体--这被认为是与它们感知和分辨信息素的高度能力有关。Kronauer实验室以前的工作表明，气味受体被敲除的蚂蚁不能对信息素信号作出反应。
在这项研究中，研究人员通过向毕氏粗角蚁 - 一种完全由盲目的雌性工人组成的无王后物种--的卵子注射编码合成蛋白GCaMP的遗传物质来创造他们的转基因对象，当细胞活动中钙水平发生变化时，该蛋白会亮起霓虹绿。
"我们的目标是让GCaMP只在单一细胞类型--嗅觉神经元中表达，"主要作者、丹尼尔-克罗瑙尔实验室的一名研究员泰勒-哈特说。
这一点很重要，因为触角叶是由多种细胞类型组成的：感觉神经元、将感觉数据带到大脑其他部位的投射神经元，以及将一切联系在一起的侧向神经元。哈特说："那些其他类型的细胞会使信噪比变差，因为它们可能在做其他活动，如计算、处理信息和调制信号。所有这些都会掩盖嗅觉神经元正在做的事情。"
找到恐慌的按钮
在成功培育出一小群在嗅觉神经元中表达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蚂蚁整个触角叶的神经活动。
研究人员决定把重点放在报警信息素上，因为它们特别容易挥发，并能引起强烈而有力的行为反应。他们发现，检测到这些气味的成年蚂蚁立即争先恐后地将尽可能多的卵收集到它们的下颚中，然后逃之夭夭，逃到试验室的一个邻近区域。
哈特和她的团队随后利用他们的新技术监测了22只转基因蚂蚁的触角叶中的GCaMP荧光水平，因为他们将这些蚂蚁暴露在一系列气味中，包括警报信息素（人类鼻子闻起来有果味）。这些闪光聚集在一个区域的六个小体中，表明该区域可能充当大脑的恐慌按钮。
哈特说："我们本来以为触角叶的很大一部分会对这些报警信息素显示出某种反应。相反，我们看到，这些反应是极其局部的。大部分的触角叶根本没有反应。"
这些发现揭示了关于蚂蚁大脑如何处理感觉输入的细节。研究人员想知道这种活动是私有化的，每个小体只对一个或几个特定的刺激作出反应，还是分布式的，由一个刺激激活的小体组成的独特组合。哈特说，一个拥有500多个小体的大脑以分布式方式运作，数百个传感器同时启动，当涉及到感觉处理时将需要非凡的计算能力。
未来的工具
考虑到500个小体中只有6个有反应，哈特想知道："它们需要所有这些不同的小体做什么？果蝇只需要50个就可以了。"
Kronauer说，现在将更容易找出蚂蚁比其他昆虫更需要区分气味刺激的原因，这不仅是因为哈特此后培育了数百只转基因蚂蚁，它们与野生蚂蚁的区别仅在于它们的荧光信号能力，为未来的研究提供了一个强大的库。
他说："泰勒开发的工具开辟了一个真正的大范围问题，而这些问题直到现在我们还无法触及。这些问题包括将特定的小体与蚂蚁用于突袭、招募和区分巢友和外来者的各种信息素联系起来。"还有一些有趣的发育问题，即蚂蚁的嗅觉系统是如何组装起来的，因为它是如此复杂。幼虫也有嗅觉神经元，所以现在我们可以看一下它们的感觉能力。"
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