使用单细胞技术首次揭示细胞水平的蚂蚁大脑复杂性

由中国华大基因研究领导的国际研究人员使用单细胞技术来研究蚂蚁的大脑，首次解释了蚂蚁群落内的社会分工如何反映在其大脑在细胞水平上的功能特化中。

在发表在《自然生态与进化》杂志上的一项研究中，来自华大基因集团华大基因研究、中国科学院昆明动物研究所、哥本哈根大学等的科学家应用华大基因的DNBeLab单细胞库平台，从法老蚂蚁大脑中获取了20多万个单核转录组，并构建了一个覆盖该蚂蚁物种所有成年表型的单细胞转录组图谱： 工人，男性，妇科(处女女王)和女王。

蚂蚁是地球上最成功的生物之一，已经存在了1.4亿多年。蚂蚁的生物量(通过将估计的种群乘以其成员的平均重量来确定)估计与人类的生物量相似。蚂蚁的成功通常归因于它们具有清晰的生殖分工的显着社会行为。一个多世纪以来，蚁群一直被概念化为超有机体。现在，利用单细胞技术，科学家们已经能够系统地确定蚂蚁大脑中的细胞复杂性，并评估同一群体内个体之间的脑细胞组成差异。

“我们的发现表明，它们大脑的功能特化似乎是个体蚂蚁之间社会任务分配的一种机制，”该论文的第一作者，华大基因研究研究员李启业博士说。“我们人类学习和训练自己做不同的工作，而蚂蚁在蚁群中天生就具有特定的角色。

研究小组发现，工蚁和雄蚁的大脑非常专业化，互补性很强。负责学习、记忆和处理嗅觉信息的神经元在工人中特别丰富，而负责处理视觉信息的视叶细胞的丰度非常低。这种趋势在雄性蚂蚁大脑中逆转，那里有丰富的视叶细胞，但用于嗅觉处理，学习和记忆的神经元较少。

“这些发现很好地支持了我们在实验室中的观察，即法老蚁工人负责所有需要多用途大脑的蚁群维护任务，而雄性不参与任何蚁群维护任务，因为它们的唯一功能是找到并授精处女蚁后，”昆明动物研究所研究员Weiwei Liu博士说。 中国科学院，论文合著者。

该分析还确定了妇科动物大脑的显着变化，因为它们在交配后转变为女王。例如，随着蚁后适应巢穴的黑暗，视叶细胞的丰度降低，而多巴胺能神经元和鞘质细胞增加，这可能是蚁后繁殖力和长寿的原因。

“这是第一个涵盖蚁群中所有社会角色的单细胞图谱。其成就得益于以低成本开发具有高灵敏度和准确性的大规模并行单细胞分析技术，“华大基因研究的共同通讯作者兼研究员Chuanyu Liu博士说。

通过比较法老蚂蚁和果蝇的脑细胞，研究人员还在昆虫大脑中发现了许多保守的细胞类型。例如，果蝇中负责在求偶期间感知物体运动的视叶细胞群也存在于蚂蚁中，并且在雄性中特别丰富。这些细胞的 分子特征 和空间位置在两种远亲昆虫中非常相似，这表明无论社会性如何，这些 细胞 都可能在调节昆虫的雄配行为方面发挥保守作用。

“这项研究有助于我们了解蚂蚁大脑的复杂性，以及大脑的互补专业化如何使蚁群内的蚂蚁能够作为一种超级有机体发挥作用，”浙江大学医学院进化与有机体生物学研究中心的共同通讯作者张国杰教授说。“不同种姓和性别的大脑在不同的方向上是专门的，并且彼此互补，允许整个蚁群执行全方位的功能，包括繁殖，育雏，觅食和防御。这种超有机体生命策略使蚂蚁在1.4亿年的竞争中茁壮成长，并最终成为地球上高度占主导地位的动物群体。

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