小腦袋高智商
——蜜蜂的學習與記憶

小腦袋高智商
——蜜蜂的學習與記憶

學習，記憶及社會行為是蜜蜂作為個體和蜂群賴以生存的固有特性。蜜蜂雖小卻有全能的大腦，它的基因組全測序的完成使得蜜蜂成為研究學習、記憶和社會行為相互關系的理想模型。昆蟲大腦在結構上跟哺乳動物的區別顯著，然而生存的基本需求卻相類似。什么地方什么樣的信息以及怎樣才能更好應用？本能的信息怎么與后天接受到的信息相結合？激發和評估的神經系統是怎么相互作用？在類似行為選擇中，大腦是怎么做出最后抉擇？所有這些問題都要在動物從事某種行為時，分析它們的神經通路才能找到答案。神經通路包含大量的神經元，而每個神經元又具有各自特定的性狀、連接點和來源。理想點說，了解了神經整個網絡就可能跟蹤它的活動。昆蟲的大腦給我們提供了研究神經的機會。根據它們的結構，在單個細胞水平就可以鑒定很多神經元，這使得我們能夠描述單個神經元網絡功能，從而理解由很多單個神經元參與的整個網絡的工作情況。而蜜蜂（Apis mellifera）正是一個非常有意義的模式系統，它有利于我們檢測神經通路，同時可以分析學習、記憶和社會行為的相互關系。

蜜蜂是社會性動物，有典型的群體結構。和其他社會性動物一樣，它們需要很準確的認知能力：在隔離情況下，它們無法生存，它們相互之間需要頻繁交流，而且需要一個安全的住所。在偵察、交配和采集中發揮的導航作用，是其自身特有的指南針特性形成的。但這種導航的發揮，需要學習其所在地環境才能實現。我們知道，蜜蜂的大腦相當小，只有1立方毫米，有950,000個神經元，卻可以記錄信息和調控行為，對蜜蜂神經和細胞水平的研究為我們提供特別的信息。動物學習是對其單個神經元鑒定和多個已確定的神經元的鈣離子成像結果記錄，我們可以獲得很多信息：與學習相關的神經是什么，在哪里？小范圍信號傳遞的調控可以理解一系列相類似平行記憶階段信息的分子成分。

蜜蜂的社會體系以其成年蜂的勞動分工而具特色，那是一個與年齡相關卻高度調控的過程。工蜂對提前建立的基因程序做出反應，各種完成確定的任務，而這一反應又是根據蜂群需要的隨時變化相關。一些生理系統參與對行為的調控。卵黃蛋白，一種年幼工蜂分泌的并參與蜜蜂生殖調控的蛋白，與蜂群的采集決策行為相關。神經因子也調節蜜蜂的勞動分工。Amfor，編碼環狀G-依賴性蛋白激酶，參與調控蜜蜂采集行為。但是，基因表達和社會行為的相關性并不可以說明這些基因只是具有“社會性”。事實上，環狀G-依賴性蛋白激酶效應系統也調控獨居性昆蟲的飼喂行為。因此，保守的信號通路才能滿足社會系統中新需求。

理解蜜蜂社會系統還要知道動物認知能力是怎么樣影響社會結構的。比如，蜜蜂能很好地學習，這些復雜的學習能力與神經有何關系？要知道答案，必須把蜜蜂大腦結構組織與其從事的社會工作聯系起來。首先要做的是，在蜜蜂不同年齡階段從事不同任務，對其大腦發育進行追蹤。蘑菇體組織容量和結構-多感覺結合中心，與記憶的形成相關，隨著蜜蜂行為轉變而變化。

一、從自由飛翔的蜜蜂到分子

蜜蜂通過程序化的運動和擺尾舞交流食物源或者蜂巢的距離和方位。有關蜜蜂舞蹈是否真正把信息傳遞給其他蜜蜂這一爭論，最近終于通過不停的跟蹤蜜蜂外出飛行軌道得到解決。食物點的學習超越基本的信息交流，蜜蜂可以學習概況系統和非系統形式，甚至可以從一個形式很快轉換到另一個形式，能區別不同類型。科學家進行了一系列相關的學習實驗：對自由飛翔蜜蜂進行采食訓練，或者一些簡單反應實驗，吻伸長反應（PER）。總的來說，自由飛翔蜜蜂的學習和PER實驗蜜蜂的學習沒有區別。這些實驗提出疑問，蜜蜂形成的是否是構型組織而不是成員組織。總結起來，這些成果讓我們認識學習的一般規律，同時可以進一步檢測這些是否同樣存在于脊柱動物和昆蟲模式體系。這不僅激發更多的思路進一步研究，為研究學習和記憶普遍的神經和分子機制奠定基礎。蜜蜂學習終止引發其對記憶的重新整合，這就是經典的自發回復行為現象。自發恢復是已經消失的記憶的重新出現。這一發現解釋了學習停止這一特征現象，還需要在脊椎動物系統中驗證。

對單個神經元鑒定，在蜜蜂腦部找到很多與嗅覺學習相關的神經底物。檢測的單個神經元，是位于食管下神經節（UVMmx1神經元）的上頜骨神經管節腹側的非對稱中央神經元，該神經元在獎勵行為中介導加固作用。神經元信號傳遞到觸角小節和環狀結構的蘑菇體，而這兩者參與嗅覺記憶通道。通過RNAi下調多巴胺受體——由UVMmx1神經元釋放的神經遞質，可以破壞學習行為。cAMP依賴蛋白激酶信號通路是觸角的長期記憶構造中一個重要物質，但是中期記憶的維持要依賴PKC，并由鈣離子蛋白酶來激活。觸角小葉血小球底部結構鈣離子成像的變化表明，相對于非配對氣味，它對配對獎勵氣味的反應更強烈。尋找誘導學習的PKA和PKC活性的靶目標非常重要，可以進一步揭示中期和長期記憶的分子機制。蘑菇體組織參與加工記憶的集合。蘑菇體內神經元在體外隨著嗅覺學習的變化表現出相應的特征。例如，通過點擊實驗發現一個叫做PE1的神經元與長期增強作用相關。在蘑菇體輸入側，鈣離子成像實驗表明，學習氣味的刺激可以特異性加強蘑菇體神經元突觸末端的反應。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

蜜蜂基因組測序的完成，讓我們更好地研究社會行為和學習記憶的分子機制。通過基因芯片，對生理變化中的基因表達進行分析，可以獲得更多準確的信息。快速測序讓科研人員在沒有鑒定這些基因前提下也可以研究那些基因及其表達產物的功能。因此，基因表達分析，基因與生理學研究，以及蛋白與蛋白之間的相互關系的研究變得方便。蜜蜂領域一個很大的困難是沒有技術可以實現干擾特定基因的表達和蛋白功能。藥理學工具在脊柱動物中已有應用，但是在蜜蜂上的應用卻不明確。另外，一種就是利用反義原理和RNAi技術。這種技術干擾一個基因，要檢測很多基因才能知道它們的效應如何，這種工作很乏味又耗時間。但是設計轉基因的蜜蜂因為不是來自真正蜂群，使得這種技術也很難得到利用。任何時候，這種轉基因的動物都會遇到同樣的問題，因為它們不能真正適應外面環境，而此環節是表現出有意義行為的必須場所。還有一種轉基因動物就是對特定組織特定的基因進行改造，比如對某只蜜蜂的蘑菇體組織中的基因進行處理。而這種技術通過“活體電穿孔”蜜蜂大腦實驗得到驗證。基因調節組織特異性的認識，新的載體（轉座元素和病毒載體）利用，對獲得實驗的有效性和選擇性都是必須的。

三、分子就是橋梁

社會行為，學習和記憶兩個緊密相關的研究一直在進行中，兩者均表明社會動物固有的特性是與它們賴以生存分不開的。蜜蜂小卻有完整的大腦，使其成為一個很好的研究模式。蜜蜂基因組測序象征著蜜蜂研究領域的一大進步。這讓研究重心放在社會行為和學習記憶的分子機制上，而這讓我們更好地認識蜜蜂無脊椎模式系統與脊椎模式系統的關系。這些可以讓我們更深入認識為什么大腦結構如此不同的動物，它們的生活卻如此相似。

劉 芳 余林生 譯