小腦袋高智商
——蜜蜂的學(xué)習(xí)與記憶

小腦袋高智商
——蜜蜂的學(xué)習(xí)與記憶

學(xué)習(xí)，記憶及社會(huì)行為是蜜蜂作為個(gè)體和蜂群賴(lài)以生存的固有特性。蜜蜂雖小卻有全能的大腦，它的基因組全測(cè)序的完成使得蜜蜂成為研究學(xué)習(xí)、記憶和社會(huì)行為相互關(guān)系的理想模型。昆蟲(chóng)大腦在結(jié)構(gòu)上跟哺乳動(dòng)物的區(qū)別顯著，然而生存的基本需求卻相類(lèi)似。什么地方什么樣的信息以及怎樣才能更好應(yīng)用？本能的信息怎么與后天接受到的信息相結(jié)合？激發(fā)和評(píng)估的神經(jīng)系統(tǒng)是怎么相互作用？在類(lèi)似行為選擇中，大腦是怎么做出最后抉擇？所有這些問(wèn)題都要在動(dòng)物從事某種行為時(shí)，分析它們的神經(jīng)通路才能找到答案。神經(jīng)通路包含大量的神經(jīng)元，而每個(gè)神經(jīng)元又具有各自特定的性狀、連接點(diǎn)和來(lái)源。理想點(diǎn)說(shuō)，了解了神經(jīng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就可能跟蹤它的活動(dòng)。昆蟲(chóng)的大腦給我們提供了研究神經(jīng)的機(jī)會(huì)。根據(jù)它們的結(jié)構(gòu)，在單個(gè)細(xì)胞水平就可以鑒定很多神經(jīng)元，這使得我們能夠描述單個(gè)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)功能，從而理解由很多單個(gè)神經(jīng)元參與的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作情況。而蜜蜂（Apis mellifera）正是一個(gè)非常有意義的模式系統(tǒng)，它有利于我們檢測(cè)神經(jīng)通路，同時(shí)可以分析學(xué)習(xí)、記憶和社會(huì)行為的相互關(guān)系。

蜜蜂是社會(huì)性動(dòng)物，有典型的群體結(jié)構(gòu)。和其他社會(huì)性動(dòng)物一樣，它們需要很準(zhǔn)確的認(rèn)知能力：在隔離情況下，它們無(wú)法生存，它們相互之間需要頻繁交流，而且需要一個(gè)安全的住所。在偵察、交配和采集中發(fā)揮的導(dǎo)航作用，是其自身特有的指南針特性形成的。但這種導(dǎo)航的發(fā)揮，需要學(xué)習(xí)其所在地環(huán)境才能實(shí)現(xiàn)。我們知道，蜜蜂的大腦相當(dāng)小，只有1立方毫米，有950,000個(gè)神經(jīng)元，卻可以記錄信息和調(diào)控行為，對(duì)蜜蜂神經(jīng)和細(xì)胞水平的研究為我們提供特別的信息。動(dòng)物學(xué)習(xí)是對(duì)其單個(gè)神經(jīng)元鑒定和多個(gè)已確定的神經(jīng)元的鈣離子成像結(jié)果記錄，我們可以獲得很多信息：與學(xué)習(xí)相關(guān)的神經(jīng)是什么，在哪里？小范圍信號(hào)傳遞的調(diào)控可以理解一系列相類(lèi)似平行記憶階段信息的分子成分。

蜜蜂的社會(huì)體系以其成年蜂的勞動(dòng)分工而具特色，那是一個(gè)與年齡相關(guān)卻高度調(diào)控的過(guò)程。工蜂對(duì)提前建立的基因程序做出反應(yīng)，各種完成確定的任務(wù)，而這一反應(yīng)又是根據(jù)蜂群需要的隨時(shí)變化相關(guān)。一些生理系統(tǒng)參與對(duì)行為的調(diào)控。卵黃蛋白，一種年幼工蜂分泌的并參與蜜蜂生殖調(diào)控的蛋白，與蜂群的采集決策行為相關(guān)。神經(jīng)因子也調(diào)節(jié)蜜蜂的勞動(dòng)分工。Amfor，編碼環(huán)狀G-依賴(lài)性蛋白激酶，參與調(diào)控蜜蜂采集行為。但是，基因表達(dá)和社會(huì)行為的相關(guān)性并不可以說(shuō)明這些基因只是具有“社會(huì)性”。事實(shí)上，環(huán)狀G-依賴(lài)性蛋白激酶效應(yīng)系統(tǒng)也調(diào)控獨(dú)居性昆蟲(chóng)的飼喂行為。因此，保守的信號(hào)通路才能滿足社會(huì)系統(tǒng)中新需求。

理解蜜蜂社會(huì)系統(tǒng)還要知道動(dòng)物認(rèn)知能力是怎么樣影響社會(huì)結(jié)構(gòu)的。比如，蜜蜂能很好地學(xué)習(xí)，這些復(fù)雜的學(xué)習(xí)能力與神經(jīng)有何關(guān)系？要知道答案，必須把蜜蜂大腦結(jié)構(gòu)組織與其從事的社會(huì)工作聯(lián)系起來(lái)。首先要做的是，在蜜蜂不同年齡階段從事不同任務(wù)，對(duì)其大腦發(fā)育進(jìn)行追蹤。蘑菇體組織容量和結(jié)構(gòu)-多感覺(jué)結(jié)合中心，與記憶的形成相關(guān)，隨著蜜蜂行為轉(zhuǎn)變而變化。

一、從自由飛翔的蜜蜂到分子

蜜蜂通過(guò)程序化的運(yùn)動(dòng)和擺尾舞交流食物源或者蜂巢的距離和方位。有關(guān)蜜蜂舞蹈是否真正把信息傳遞給其他蜜蜂這一爭(zhēng)論，最近終于通過(guò)不停的跟蹤蜜蜂外出飛行軌道得到解決。食物點(diǎn)的學(xué)習(xí)超越基本的信息交流，蜜蜂可以學(xué)習(xí)概況系統(tǒng)和非系統(tǒng)形式，甚至可以從一個(gè)形式很快轉(zhuǎn)換到另一個(gè)形式，能區(qū)別不同類(lèi)型。科學(xué)家進(jìn)行了一系列相關(guān)的學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)：對(duì)自由飛翔蜜蜂進(jìn)行采食訓(xùn)練，或者一些簡(jiǎn)單反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，吻伸長(zhǎng)反應(yīng)（PER）?？偟膩?lái)說(shuō)，自由飛翔蜜蜂的學(xué)習(xí)和PER實(shí)驗(yàn)蜜蜂的學(xué)習(xí)沒(méi)有區(qū)別。這些實(shí)驗(yàn)提出疑問(wèn)，蜜蜂形成的是否是構(gòu)型組織而不是成員組織?？偨Y(jié)起來(lái)，這些成果讓我們認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)的一般規(guī)律，同時(shí)可以進(jìn)一步檢測(cè)這些是否同樣存在于脊柱動(dòng)物和昆蟲(chóng)模式體系。這不僅激發(fā)更多的思路進(jìn)一步研究，為研究學(xué)習(xí)和記憶普遍的神經(jīng)和分子機(jī)制奠定基礎(chǔ)。蜜蜂學(xué)習(xí)終止引發(fā)其對(duì)記憶的重新整合，這就是經(jīng)典的自發(fā)回復(fù)行為現(xiàn)象。自發(fā)恢復(fù)是已經(jīng)消失的記憶的重新出現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)解釋了學(xué)習(xí)停止這一特征現(xiàn)象，還需要在脊椎動(dòng)物系統(tǒng)中驗(yàn)證。

對(duì)單個(gè)神經(jīng)元鑒定，在蜜蜂腦部找到很多與嗅覺(jué)學(xué)習(xí)相關(guān)的神經(jīng)底物。檢測(cè)的單個(gè)神經(jīng)元，是位于食管下神經(jīng)節(jié)（UVMmx1神經(jīng)元）的上頜骨神經(jīng)管節(jié)腹側(cè)的非對(duì)稱(chēng)中央神經(jīng)元，該神經(jīng)元在獎(jiǎng)勵(lì)行為中介導(dǎo)加固作用。神經(jīng)元信號(hào)傳遞到觸角小節(jié)和環(huán)狀結(jié)構(gòu)的蘑菇體，而這兩者參與嗅覺(jué)記憶通道。通過(guò)RNAi下調(diào)多巴胺受體——由UVMmx1神經(jīng)元釋放的神經(jīng)遞質(zhì)，可以破壞學(xué)習(xí)行為。cAMP依賴(lài)蛋白激酶信號(hào)通路是觸角的長(zhǎng)期記憶構(gòu)造中一個(gè)重要物質(zhì)，但是中期記憶的維持要依賴(lài)PKC，并由鈣離子蛋白酶來(lái)激活。觸角小葉血小球底部結(jié)構(gòu)鈣離子成像的變化表明，相對(duì)于非配對(duì)氣味，它對(duì)配對(duì)獎(jiǎng)勵(lì)氣味的反應(yīng)更強(qiáng)烈。尋找誘導(dǎo)學(xué)習(xí)的PKA和PKC活性的靶目標(biāo)非常重要，可以進(jìn)一步揭示中期和長(zhǎng)期記憶的分子機(jī)制。蘑菇體組織參與加工記憶的集合。蘑菇體內(nèi)神經(jīng)元在體外隨著嗅覺(jué)學(xué)習(xí)的變化表現(xiàn)出相應(yīng)的特征。例如，通過(guò)點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)一個(gè)叫做PE1的神經(jīng)元與長(zhǎng)期增強(qiáng)作用相關(guān)。在蘑菇體輸入側(cè)，鈣離子成像實(shí)驗(yàn)表明，學(xué)習(xí)氣味的刺激可以特異性加強(qiáng)蘑菇體神經(jīng)元突觸末端的反應(yīng)。這些研究表明蘑菇體輸入和輸出之間的可塑性。

二、從分子到行為

蜜蜂基因組測(cè)序的完成，讓我們更好地研究社會(huì)行為和學(xué)習(xí)記憶的分子機(jī)制。通過(guò)基因芯片，對(duì)生理變化中的基因表達(dá)進(jìn)行分析，可以獲得更多準(zhǔn)確的信息?？焖贉y(cè)序讓科研人員在沒(méi)有鑒定這些基因前提下也可以研究那些基因及其表達(dá)產(chǎn)物的功能。因此，基因表達(dá)分析，基因與生理學(xué)研究，以及蛋白與蛋白之間的相互關(guān)系的研究變得方便。蜜蜂領(lǐng)域一個(gè)很大的困難是沒(méi)有技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)干擾特定基因的表達(dá)和蛋白功能。藥理學(xué)工具在脊柱動(dòng)物中已有應(yīng)用，但是在蜜蜂上的應(yīng)用卻不明確。另外，一種就是利用反義原理和RNAi技術(shù)。這種技術(shù)干擾一個(gè)基因，要檢測(cè)很多基因才能知道它們的效應(yīng)如何，這種工作很乏味又耗時(shí)間。但是設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)基因的蜜蜂因?yàn)椴皇莵?lái)自真正蜂群，使得這種技術(shù)也很難得到利用。任何時(shí)候，這種轉(zhuǎn)基因的動(dòng)物都會(huì)遇到同樣的問(wèn)題，因?yàn)樗鼈儾荒苷嬲m應(yīng)外面環(huán)境，而此環(huán)節(jié)是表現(xiàn)出有意義行為的必須場(chǎng)所。還有一種轉(zhuǎn)基因動(dòng)物就是對(duì)特定組織特定的基因進(jìn)行改造，比如對(duì)某只蜜蜂的蘑菇體組織中的基因進(jìn)行處理。而這種技術(shù)通過(guò)“活體電穿孔”蜜蜂大腦實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證?；蛘{(diào)節(jié)組織特異性的認(rèn)識(shí)，新的載體（轉(zhuǎn)座元素和病毒載體）利用，對(duì)獲得實(shí)驗(yàn)的有效性和選擇性都是必須的。

三、分子就是橋梁

社會(huì)行為，學(xué)習(xí)和記憶兩個(gè)緊密相關(guān)的研究一直在進(jìn)行中，兩者均表明社會(huì)動(dòng)物固有的特性是與它們賴(lài)以生存分不開(kāi)的。蜜蜂小卻有完整的大腦，使其成為一個(gè)很好的研究模式。蜜蜂基因組測(cè)序象征著蜜蜂研究領(lǐng)域的一大進(jìn)步。這讓研究重心放在社會(huì)行為和學(xué)習(xí)記憶的分子機(jī)制上，而這讓我們更好地認(rèn)識(shí)蜜蜂無(wú)脊椎模式系統(tǒng)與脊椎模式系統(tǒng)的關(guān)系。這些可以讓我們更深入認(rèn)識(shí)為什么大腦結(jié)構(gòu)如此不同的動(dòng)物，它們的生活卻如此相似。

劉 芳 余林生 譯