小脑袋高智商——蜜蜂的学习与记忆

小脑袋高智商
——蜜蜂的学习与记忆

学习，记忆及社会行为是蜜蜂作为个体和蜂群赖以生存的固有特性。蜜蜂虽小却有全能的大脑，它的基因组全测序的完成使得蜜蜂成为研究学习、记忆和社会行为相互关系的理想模型。昆虫大脑在结构上跟哺乳动物的区别显著，然而生存的基本需求却相类似。什么地方什么样的信息以及怎样才能更好应用？本能的信息怎么与后天接受到的信息相结合？激发和评估的神经系统是怎么相互作用？在类似行为选择中，大脑是怎么做出最后抉择？所有这些问题都要在动物从事某种行为时，分析它们的神经通路才能找到答案。神经通路包含大量的神经元，而每个神经元又具有各自特定的性状、连接点和来源。理想点说，了解了神经整个网络就可能跟踪它的活动。昆虫的大脑给我们提供了研究神经的机会。根据它们的结构，在单个细胞水平就可以鉴定很多神经元，这使得我们能够描述单个神经元网络功能，从而理解由很多单个神经元参与的整个网络的工作情况。而蜜蜂（Apis mellifera）正是一个非常有意义的模式系统，它有利于我们检测神经通路，同时可以分析学习、记忆和社会行为的相互关系。

蜜蜂是社会性动物，有典型的群体结构。和其他社会性动物一样，它们需要很准确的认知能力：在隔离情况下，它们无法生存，它们相互之间需要频繁交流，而且需要一个安全的住所。在侦察、交配和采集中发挥的导航作用，是其自身特有的指南针特性形成的。但这种导航的发挥，需要学习其所在地环境才能实现。我们知道，蜜蜂的大脑相当小，只有1立方毫米，有950,000个神经元，却可以记录信息和调控行为，对蜜蜂神经和细胞水平的研究为我们提供特别的信息。动物学习是对其单个神经元鉴定和多个已确定的神经元的钙离子成像结果记录，我们可以获得很多信息：与学习相关的神经是什么，在哪里？小范围信号传递的调控可以理解一系列相类似平行记忆阶段信息的分子成分。

蜜蜂的社会体系以其成年蜂的劳动分工而具特色，那是一个与年龄相关却高度调控的过程。工蜂对提前建立的基因程序做出反应，各种完成确定的任务，而这一反应又是根据蜂群需要的随时变化相关。一些生理系统参与对行为的调控。卵黄蛋白，一种年幼工蜂分泌的并参与蜜蜂生殖调控的蛋白，与蜂群的采集决策行为相关。神经因子也调节蜜蜂的劳动分工。Amfor，编码环状G-依赖性蛋白激酶，参与调控蜜蜂采集行为。但是，基因表达和社会行为的相关性并不可以说明这些基因只是具有“社会性”。事实上，环状G-依赖性蛋白激酶效应系统也调控独居性昆虫的饲喂行为。因此，保守的信号通路才能满足社会系统中新需求。

理解蜜蜂社会系统还要知道动物认知能力是怎么样影响社会结构的。比如，蜜蜂能很好地学习，这些复杂的学习能力与神经有何关系？要知道答案，必须把蜜蜂大脑结构组织与其从事的社会工作联系起来。首先要做的是，在蜜蜂不同年龄阶段从事不同任务，对其大脑发育进行追踪。蘑菇体组织容量和结构-多感觉结合中心，与记忆的形成相关，随着蜜蜂行为转变而变化。

一、从自由飞翔的蜜蜂到分子

蜜蜂通过程序化的运动和摆尾舞交流食物源或者蜂巢的距离和方位。有关蜜蜂舞蹈是否真正把信息传递给其他蜜蜂这一争论，最近终于通过不停的跟踪蜜蜂外出飞行轨道得到解决。食物点的学习超越基本的信息交流，蜜蜂可以学习概况系统和非系统形式，甚至可以从一个形式很快转换到另一个形式，能区别不同类型。科学家进行了一系列相关的学习实验：对自由飞翔蜜蜂进行采食训练，或者一些简单反应实验，吻伸长反应（PER）。总的来说，自由飞翔蜜蜂的学习和PER实验蜜蜂的学习没有区别。这些实验提出疑问，蜜蜂形成的是否是构型组织而不是成员组织。总结起来，这些成果让我们认识学习的一般规律，同时可以进一步检测这些是否同样存在于脊柱动物和昆虫模式体系。这不仅激发更多的思路进一步研究，为研究学习和记忆普遍的神经和分子机制奠定基础。蜜蜂学习终止引发其对记忆的重新整合，这就是经典的自发回复行为现象。自发恢复是已经消失的记忆的重新出现。这一发现解释了学习停止这一特征现象，还需要在脊椎动物系统中验证。

对单个神经元鉴定，在蜜蜂脑部找到很多与嗅觉学习相关的神经底物。检测的单个神经元，是位于食管下神经节（UVMmx1神经元）的上颌骨神经管节腹侧的非对称中央神经元，该神经元在奖励行为中介导加固作用。神经元信号传递到触角小节和环状结构的蘑菇体，而这两者参与嗅觉记忆通道。通过RNAi下调多巴胺受体——由UVMmx1神经元释放的神经递质，可以破坏学习行为。cAMP依赖蛋白激酶信号通路是触角的长期记忆构造中一个重要物质，但是中期记忆的维持要依赖PKC，并由钙离子蛋白酶来激活。触角小叶血小球底部结构钙离子成像的变化表明，相对于非配对气味，它对配对奖励气味的反应更强烈。寻找诱导学习的PKA和PKC活性的靶目标非常重要，可以进一步揭示中期和长期记忆的分子机制。蘑菇体组织参与加工记忆的集合。蘑菇体内神经元在体外随着嗅觉学习的变化表现出相应的特征。例如，通过点击实验发现一个叫做PE1的神经元与长期增强作用相关。在蘑菇体输入侧，钙离子成像实验表明，学习气味的刺激可以特异性加强蘑菇体神经元突触末端的反应。这些研究表明蘑菇体输入和输出之间的可塑性。

二、从分子到行为

蜜蜂基因组测序的完成，让我们更好地研究社会行为和学习记忆的分子机制。通过基因芯片，对生理变化中的基因表达进行分析，可以获得更多准确的信息。快速测序让科研人员在没有鉴定这些基因前提下也可以研究那些基因及其表达产物的功能。因此，基因表达分析，基因与生理学研究，以及蛋白与蛋白之间的相互关系的研究变得方便。蜜蜂领域一个很大的困难是没有技术可以实现干扰特定基因的表达和蛋白功能。药理学工具在脊柱动物中已有应用，但是在蜜蜂上的应用却不明确。另外，一种就是利用反义原理和RNAi技术。这种技术干扰一个基因，要检测很多基因才能知道它们的效应如何，这种工作很乏味又耗时间。但是设计转基因的蜜蜂因为不是来自真正蜂群，使得这种技术也很难得到利用。任何时候，这种转基因的动物都会遇到同样的问题，因为它们不能真正适应外面环境，而此环节是表现出有意义行为的必须场所。还有一种转基因动物就是对特定组织特定的基因进行改造，比如对某只蜜蜂的蘑菇体组织中的基因进行处理。而这种技术通过“活体电穿孔”蜜蜂大脑实验得到验证。基因调节组织特异性的认识，新的载体（转座元素和病毒载体）利用，对获得实验的有效性和选择性都是必须的。

三、分子就是桥梁

社会行为，学习和记忆两个紧密相关的研究一直在进行中，两者均表明社会动物固有的特性是与它们赖以生存分不开的。蜜蜂小却有完整的大脑，使其成为一个很好的研究模式。蜜蜂基因组测序象征着蜜蜂研究领域的一大进步。这让研究重心放在社会行为和学习记忆的分子机制上，而这让我们更好地认识蜜蜂无脊椎模式系统与脊椎模式系统的关系。这些可以让我们更深入认识为什么大脑结构如此不同的动物，它们的生活却如此相似。

刘 芳 余林生 译