科学家利用大脑分子改写蚂蚁行为

在切叶蚁（Atta cephalotes）中，每个角色的分工都预先刻写在形态学特征上——从上颚的弯曲度到体型大小——精确地规划了劳动分工。体型庞大的大型兵蚁（Major ants）充当哨兵，巡逻门口并驱逐入侵者；体型稍小的中型工蚁（Media ants）为灵巧的护理蚁（Minors）收集树叶碎片，它们是蚁群的维护者和照料者；而在最小的层级，针尖大小的微型工蚁（Minima ants）则负责打理真菌园和抚育幼蚁。

如今，由宾夕法尼亚大学的雪莱·伯杰（Shelley Berger）领导的研究人员揭示了切叶蚁遗传密码的关键要素，确定了两种可以调节上调或下调以重新编程蚂蚁职责的信号分子。甲壳类心脏活性肽（CCAP）在中型工蚁体内升高，能促进采叶任务，并能诱发其他亚阶层的类似行为。然而，在兵蚁体内含量丰富的神经副蛋白A（NPA）会抑制育幼行为，并与防御性巡逻相关；相反，降低其NPA水平则会促发照料行为。

研究人员在《细胞》（Cell）杂志上报告了他们的发现，同时还揭示了一个惊人的相似点：支配切叶蚁劳动分工的基因表达模式，与真社会性的裸鼹鼠（一种同样遵循合作育幼的哺乳动物）中的模式相似——这暗示了一种可追溯到6亿多年前的趋同分子机制。

“我们惊讶地发现，蚂蚁的保育蚁与觅食蚁之间的基因调控，与裸鼹鼠哺乳动物之间存在着明显的相似性——这是出乎意料的，”丹尼尔·S·奥赫宾夕法尼亚综合知识讲座教授（Daniel S. Och Penn Integrates Knowledge University Professor）、同时在文理学院和佩雷尔曼医学院任职的伯杰说道，“我们在蚂蚁身上的研究结果强化了单一神经肽如何能显著改变行为的观点，这可能也适用于人类社会行为——尽管人类当然要复杂得多。”

从木匠蚁到切叶蚁

基于先前对木匠蚁的研究（其具有类似但更简单的社会组织，包含觅食蚁和兵蚁两种角色），该团队研究了切叶蚁中几种不同的神经肽，以探索这些原理如何扩展到兵蚁（Major）、中型工蚁（Media）、护理蚁（Minor）和微型工蚁（Minim）这更为精细的四阶层结构。

研究人员创建了3D打印的行为观察室，使他们能够监测蚂蚁如何与树叶、幼蚁或真菌互动。这些观察室通过视频分析实现了行为的追踪和量化，展示了改变蚂蚁体内CCAP和NPA水平如何引发其指定任务的显著且可重复的转变。

“一般来说，特定神经肽在某些阶层中更丰富，因此我们观察了每个阶层大脑中的神经肽水平，”罗切斯特大学助理教授、伯杰实验室前博士后研究员卡尔·格拉斯特（Karl Glastad）解释道。“在兵蚁中，支配采叶行为的神经肽水平较低，而抑制育幼行为的神经肽水平较高。因此，如果我们提高前者，会导致采叶行为；如果我们降低后者，则会导致育幼和照料幼蚁。”

格拉斯特补充说，这些神经肽一旦与其匹配的受体结合，便会引发一个复杂的信号级联反应，如同分子版的鲁布·戈德堡机械装置（Rube Goldberg machine）般波及基因网络，最终导致蚂蚁从一项专门任务转向另一项任务。

跨越生物界的分子机制

为了进一步探索这一行为脚本的进化深度和内涵，该团队研究了裸鼹鼠——一个远缘的进化表亲，其地下蚁群呼应了切叶蚁巢穴中阶层式的和谐。

“起初，我觉得纳入裸鼹鼠有点像是在做无用功，”格拉斯特笑道。“但我们惊讶地发现，这两个物种的大脑中，调控此类觅食阶层和保育阶层的分子机制实际上存在很多相似之处。”

尽管裸鼹鼠体内缺乏像蚂蚁中发现的NPA那样的确切神经肽，但研究人员推测，由于某些更保守的受体具有混杂性，这些肽类物质可能仍然激活了两个物种共有的古老、保守的通路。

“当我们看到这些引人入胜的神经肽结果时，我们提出了一个想法：也许这种神经肽正作用于某些保守的基因通路，这些通路在两种截然不同的动物中趋同进化，以管理不同的行为，”格拉斯特解释道。“而且令人瞩目的是，我们发现了大量的重叠——其程度之高，使得蚂蚁的神经肽甚至能激活裸鼹鼠大脑中的内源性受体。发现这种意想不到的趋同现象非常酷，坦率地说，也很幸运。”

胰岛素调控通路的新作用？

这些发现还揭示了与胰岛素调控通路的有趣联系，该通路因其在糖代谢中的重要作用而闻名。

特别是，胰岛素样肽（如Ilp1）与NPA共同显著表达，这表明在行为调控中，神经肽信号与胰岛素通路之间存在着先前未被重视的相互作用。

“通过实质上发现胰岛素与母性照料行为之间存在这种联系——无论是在裸鼹鼠还是切叶蚁中——我们推测，这可能为研究胰岛素调节失调如何影响这些行为打开了大门，”第一作者、伯杰实验室研究生研究员马克森·菲奥里蒂（Maxxum Fioriti）说道。

“这种联系为研究胰岛素如何调节哺乳动物（甚至可能是人类）的照料行为开辟了新的研究途径，”菲奥里蒂推测道，像糖尿病这样的胰岛素抵抗性疾病可能会影响母性心理健康和产后抑郁症。

扩展到寿命可塑性

展望未来，伯杰的团队渴望探索与行为相关的生物可塑性的持久性。他们也对将工作扩展到晚年再生和寿命可塑性感兴趣，因为具有生殖能力的蚁后比不生殖的工蚁寿命长得多。

伯杰认为，表观遗传学（研究基因活性如何在DNA序列不变的情况下被开启或关闭）为理解行为可塑性以及寿命可塑性提供了强有力的途径。

“我们对重新编程后的行为能持续多久非常感兴趣，以及对长寿蚁后而言的通路是什么，”她说。“我认为这两种现象在哺乳动物和人类生物学中都极具研究价值——我们正在研究的行为可塑性和寿命可塑性的长期效应。”

在谈及未来关于寿命可塑性的研究时，菲奥里蒂指出，实验室里的另一种蚂蚁具有惊人的寿命可塑性，“在那里，它们不仅仅是行为不同，还能在长寿蚁后与短命工蚁之间切换。”

“我们拥有蚂蚁行为模型与裸鼹鼠的比较研究，同时我们也对能否将蚂蚁和裸鼹鼠之间寿命可塑性的理解结合起来很感兴趣，”菲奥里蒂说。

关键要点

• 由宾夕法尼亚综合知识讲座教授、文理学院和佩雷尔曼医学院的雪莱·伯杰领导的研究人员探索了诸如切叶蚁和裸鼹鼠等群居生物如何在其社会中分工的遗传基础
• 他们发现了可追溯到数亿年前的、在动物界中保守的通路
• 他们的发现为理解复杂社会行为的起源以及角色分配的神经可塑性提供了基础性见解

雪莱·伯杰（Shelley Berger）是佩雷尔曼医学院细胞与发育生物学系和宾夕法尼亚大学文理学院生物系的丹尼尔·S·奥赫大学讲座教授（Daniel S. Och University Professor），并担任宾夕法尼亚表观遗传学研究所所长。

卡尔·格拉斯特（Karl Glastad）是罗切斯特大学生物学助理教授，曾任伯杰实验室博士后研究员。

马克森·菲奥里蒂（Maxxum Fioriti）是宾夕法尼亚大学医学院博士研究生，伯杰实验室研究员。

其他作者包括：宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的迈克尔·B·吉尔伯特（Michael B. Gilbert）、马坦·索雷克（Matan Sorek）、蒂尔尼·斯卡帕（Tierney Scarpa）、弗雷迪·S·珀内尔（Freddy S. Purnell）、徐丹尼尔（Daniel Xu）、何塞·巴埃萨（Josue Baeza）、理查德·劳曼（Richard Lauman）、巴林特·Z·卡索（Balint Z. Kacsoh）和罗伯托·博纳西奥（Roberto Bonasio）；Talus Bioscience公司的林赛·K·皮诺（Lindsay K. Pino）；罗切斯特大学的阿纳托利·科罗特科夫（Anatoly Korotkov）、阿里·比亚沙德（Ali Biashad）、安德烈·塞卢亚诺夫（Andrei Seluanov）和薇拉·戈尔布诺娃（Vera Gorbunova）；洛桑联邦理工学院（École Polytechnique Fédérale de Lausanne）的阿纳斯塔西娅·菲利波娃（Anastasiia Filippova）和麦肯齐·W·马西斯（Mackenzie W. Mathis）；华盛顿大学医学院的本杰明·A·加西亚（Benjamin A. Garcia）。

这项工作得到了美国国立卫生研究院（NIH）的支持（博士后奖学金 F32GM120933 和 F31AG072777-03；资助号 NIA R01 AG055570, AG047200 和 NIMH R01 MH131861）；祖克曼STEM领导力博士后项目（The Zuckerman STEM Leadership Post-Doctoral Program）以及人类前沿科学计划（The Human Frontier Science Program）的支持。