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这些发现为揭示数百种蚂蚁气味受体的作用提供了诱人的可能性。
蚂蚁利用一组气味感受器和一种叫做信息素的化学信号来导航这个充满芳香的世界。无论是觅食还是保卫巢穴，交配还是照顾幼蚁，蚂蚁在一生中都会发送和接收化学信号。蚂蚁大脑处理大量气味的能力突出了这个系统的重要性:例如，蚂蚁大脑中的嗅觉处理中心的细分是果蝇的10倍，尽管它们的大脑大小大致相同。
然而，蚂蚁的嗅觉系统是如何对气味数据进行编码的，这在很大程度上仍然是未知的。为了解开这个谜团，洛克菲勒大学的研究人员开发了世界上第一个转基因蚂蚁，这些蚂蚁被培育出嗅觉感觉神经元，这些神经元对气味做出反应，发出绿色的光。他们在《细胞》杂志上发表了研究结果。
与之前的研究结果相反，该研究发现，嗅觉系统中只有少数特定区域会对警报信息素做出反应，警报信息素是引发恐慌和撤离巢穴的危险信号。研究结果提出了一个问题，即蚂蚁的大脑是如何处理感觉信息的，同时也为揭示其他数百种气味受体的作用提供了诱人的可能性。
“在过去的几十年里，神经遗传学工具已经彻底改变了果蝇神经科学领域，而社会昆虫神经科学基本上停滞不前，”洛克菲勒的社会进化和行为实验室负责人丹尼尔·克罗诺尔说。“我们的技术突破现在终于使我们能够将这些强大的工具应用于蚂蚁身上，研究它们的社会行为。”
气味的世界1958年，e·o·威尔逊(E. O. Wilson)报告说，收获蚁的下颌腺分泌的一种分泌物会促使它们的巢穴同伴加快步伐，采取群体防御行为。他把这种反应称为“警报行为”。从那以后，科学家们记录了蚁群中的报警行为和许多其他复杂的社会活动是由大量信息素调节的。
蚂蚁的嗅觉感受器位于触角上的神经元上，触角将它们的信息发送到被称为触角叶的大脑中心。触角叶由称为肾小球的特殊结构组成，肾小球对气味处理至关重要。一些蚂蚁有超过500个肾小球，这被认为与它们感知和区分信息素的能力有关。Kronauer实验室之前的研究表明，气味受体被破坏的蚂蚁无法对信息素信号做出反应。
在这项研究中，研究人员通过向无性繁殖的突袭蚁(一种完全由失明的雌性工蚁组成的无蜂王物种)的卵注射编码合成蛋白质GCaMP的遗传物质来创造转基因对象，当细胞活动期间钙水平发生变化时，GCaMP就会亮起霓虹绿色。
“我们的目标是让GCaMP只在一种细胞类型——嗅觉感觉神经元中表达，”丹尼尔·克罗诺尔实验室的研究员、首席作者泰勒·哈特说。
这很重要，因为触角叶是由多种类型的细胞组成的:感觉神经元，将感觉数据传递到大脑其他部分的投射神经元，以及将所有东西连接在一起的侧向中间神经元。哈特说:“那些其他类型的细胞可以使信噪比变差，因为它们可以进行其他活动，如计算、处理信息和调制信号。”所有这些都能模糊嗅觉神经元的功能。
找到紧急按钮
在成功培育了一小群嗅觉感觉神经元中表达GCaMP的蚂蚁的同时，研究小组还开发了一种复杂的双光子钙成像技术，使他们能够首次记录活蚂蚁整个触角叶的神经活动。
研究人员决定把重点放在警报信息素上，因为它们特别不稳定，会引发强烈而稳健的行为反应。他们发现，嗅到气味的成年蚂蚁立即争先恐后地在下颚尽可能多地收集卵，然后逃到测试室的邻近区域。
Hart和她的团队随后使用他们的新技术监测22只转基因蚂蚁触角叶中的GCaMP荧光水平，因为他们将它们暴露在一系列气味中，包括警报信息素(人类鼻子闻起来有水果味)。这些闪光集中在一个区域的6个肾小球上，表明这个区域可能是大脑的紧急按钮。
哈特说:“我们原以为天线瓣的很大一部分会对这些报警信息素做出某种反应。”“相反，我们看到的反应是非常局部的。大部分天线瓣根本没有反应。”
哈特说，这些发现揭示了蚂蚁大脑如何处理感觉输入的细节。研究人员想知道这种活动是私有化的，每个肾小球只对一种或几种特定的刺激作出反应，还是分布的，由一种刺激激活的肾小球的独特组合。哈特说，一个拥有500多个分散运作的肾小球，同时有数百个传感器同时工作的大脑，在感觉处理方面需要非凡的计算能力。
“我们测试的大多数气味只激活了肾小球的一小部分，”她说。“私有化似乎是蚂蚁触角上的方式。”
考虑到500个肾小球中只有6个有反应，Hart想知道，“他们需要这么多不同的肾小球做什么?”而果蝇只有50个。”
Kronauer说，现在更容易发现为什么蚂蚁比其他昆虫更需要区分气味刺激，这不仅是因为Hart已经培育了数百只转基因蚂蚁，它们与野生蚂蚁的不同之处仅仅在于它们发出荧光信号的能力，这为未来的研究提供了一个强大的基础。
Sparse and stereotyped encoding implicates a core glomerulus for ant alarm behavior
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