研究人员开发出世界上第一个转基因Ant

蚂蚁导航它们丰富的芳香世界使用数组的气味受体和名为“信息素”的化学信号。无论觅食或保卫巢穴,交配或倾向于年轻,蚂蚁都发送和接收化学信号在他们的生活。

这个系统的重要性凸显了通过装备蚂蚁的大脑是如何处理大量的气味:蚂蚁的大脑的嗅觉加工中心十倍细分和果蝇一样,例如,即使他们的大脑是同样的大小。

然而蚂蚁的嗅觉系统是如何编码的气味数据仍然是未知的。削弱的神秘,洛克菲勒大学的研究人员已经开发出世界上第一个转基因蚂蚁,已培育嗅感觉神经元,flash绿色回应气味。他们发表他们的结果在细胞。

与之前的调查结果,研究发现,只有少数特定区域的嗅觉系统点亮报警信息素,危险信号,引起恐慌和巢疏散。结果提出问题如何处理感觉信息在蚂蚁坦然的诱人的可能性揭示数以百计的其他有气味的受体。

“Neurogenetic工具革新了果蝇神经科学领域在过去的几十年中,而社会性昆虫神经科学已经基本上被困,”洛克菲勒的丹尼尔Kronauer说,实验室负责人社会进化和行为。“现在我们的技术突破最后让我们应用这些强大的工具在蚂蚁来研究他们的社会行为。”

气味的世界

e·o·威尔逊在1958年报道,下颌腺的分泌物收割机蚂蚁触发他们的同伴加快速度和殖民地防御行为。他称这个响应“报警行为。”从那以后,科学家们记录,报警在蚁群行为和许多其他复杂的社会活动是由大量的信息素。

蚂蚁的嗅觉受体神经元位于天线,把输入大脑中心称为触角叶。触角叶是由专门的结构称为肾小球气味处理至关重要。一些蚂蚁有超过500 glomeruli-a赏金被认为是与其高度相关的能力感知和区分信息素。Kronauer实验室的以前的工作表明,蚂蚁的气味受体已经被淘汰不能回应信息素信号。

在这项研究中,研究人员创建他们的转基因研究对象通过注射克隆掠袭者的鸡蛋ants-a无女王的物种组成完全盲目的女性工人的遗传物质编码合成蛋白质GCaMP,点亮霓虹灯绿色当钙水平变化在细胞活动。

“我们的目标是让GCaMP表示只有在单个细胞type——嗅感觉神经元,”第一作者泰勒·哈特说,一位研究员丹尼尔Kronauer的实验室。

这很重要,因为触角叶是由多种细胞类型:感觉神经元,投射神经元携带感官数据到大脑的其他部分,和侧中间神经元链接在一起的一切。“其他细胞类型可以使信噪比穷人,因为他们可以做其他活动,如计算、处理信息,和调制信号,”哈特说。所有这些可以掩盖嗅觉神经元在做什么。

发现恐慌按钮

而成功地繁殖一小群蚂蚁GCaMP表达式嗅感觉神经元,该小组还开发了一套先进的双光子钙成像技术,允许他们记录神经活动在整个第一次住蚂蚁的触角叶。

研究人员决定专注于报警信息素,因为他们特别不稳定,引起强烈的和健壮的行为反应。他们发现成年蚂蚁,发现气味争相搜集尽可能许多鸡蛋放在他们的下颚,然后逃跑,逃到一个相邻部分的测试室。

哈特和她的团队使用他们的新技术来监测GCaMP荧光水平22转基因蚂蚁的触角叶暴露他们的气味,包括报警信息素(人类鼻子闻到水果)。闪光灯聚集在一个地区的六个肾小球,表明区域可以作为大脑的惊慌失措。

“我们预期,很大一部分的触角叶将显示一些应对这些报警信息素,”哈特说。“相反,我们看到非常本地化的响应。大部分的触角叶没有回应。”

哈特说,发现揭示蚂蚁的大脑如何处理感官输入的详细信息。研究人员想知道活动是私有化,每个肾小球回应只对一个或几个特定的刺激,或分布式的、具有独特的组合刺激肾小球激活。大脑有超过500肾小球操作在一个分布式的方式,用数百个传感器发射,需要惊人的计算能力感觉处理时,哈特说。

“我们大部分的气味测试激活肾小球总数的一小部分,”她说。“看来,私有化是蚂蚁触角叶的方式。”

未来的工具

考虑到500年只有六个肾小球回应,哈特奇迹”,他们需要所有这些不同的小球?只有50的果蝇会。”

现在更容易找出为什么蚂蚁更需要区分比其他昆虫气味刺激,Kronauer于是不仅因为哈特已经饲养数百转基因蚂蚁,他们不同于它们的野生亲戚只在荧光信号的能力,为未来的研究提供一个健壮的池。

”泰勒的工具开发开放一个非常大的范围的问题,无法访问,我们直到现在,”他说。其中包括将特定的肾小球与各种蚂蚁信息素用于突袭,招聘,区分同伴和局外人。“也有有趣的发展关于蚂蚁的嗅觉系统是如何组装的问题,因为它是如此复杂。幼虫也嗅感觉神经元,所以现在我们可以看看他们的感官能力。”

参考:哈特T,弗兰克DD,洛佩斯,et al .稀疏,刻板的编码涉及的核心肾小球ant报警的行为。细胞。doi:10.1016 / j.cell.2023.05.025

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