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(xué)習(xí)、記憶和社會行為相互關(guān)系的理想模型。昆蟲大腦在結(jié)構(gòu)上跟哺乳動物的區(qū)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(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)和評估的神經(jīng)系統(tǒng)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(jīng)通路才能找到答案。神經(jīng)通路包含大量的神經(jīng)元，而每個神經(jīng)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(jīng)整個網(wǎng)絡(luò)就可能跟蹤它的活動。昆蟲的大腦給我們提供了研究神經(jīng)的機會。根據(jù)它們的結(jié)構(gòu)，在單個細(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神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)功能，從而理解由很多單個神經(jīng)元參與的整個網(wǎng)絡(luò)的工作情況。而蜜蜂（Apis mellifera）正是一個非常有意義的模式系統(tǒng)，它有利于我們檢測神經(jīng)通路，同時可以分析學(xué)習(xí)、記憶和社會行為的相互關(guān)系。

蜜蜂是社會性動物，有典型的群體結(jié)構(gòu)。和其他社會性動物一樣，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(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個神經(jīng)元，卻可以記錄信息和調(diào)控行為，對蜜蜂神經(jīng)和細(xì)胞水平的研究為我們提供特別的信息。動物學(xué)習(xí)是對其單個神經(jīng)元鑒定和多個已確定的神經(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？小范圍信號傳遞的調(diào)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(guān)卻高度調(diào)控的過程。工蜂對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)蜂群需要的隨時變化相關(guān)。一些生理系統(tǒng)參與對行為的調(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)蜜蜂的勞動分工。Amfor，編碼環(huán)狀G-依賴性蛋白激酶，參與調(diào)控蜜蜂采集行為。但是，基因表達和社會行為的相關(guān)性并不可以說明這些基因只是具有“社會性”。事實上，環(huán)狀G-依賴性蛋白激酶效應(yīng)系統(tǒng)也調(diào)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(tǒng)中新需求。

理解蜜蜂社會系統(tǒng)還要知道動物認(rèn)知能力是怎么樣影響社會結(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工作聯(lián)系起來。首先要做的是，在蜜蜂不同年齡階段從事不同任務(wù)，對其大腦發(fā)育進行追蹤。蘑菇體組織容量和結(jié)構(gòu)-多感覺結(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(guān)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(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，甚至可以從一個形式很快轉(zhuǎn)換到另一個形式，能區(qū)別不同類型。科學(xué)家進行了一系列相關(guān)的學(xué)習(xí)實驗：對自由飛翔蜜蜂進行采食訓(xùn)練，或者一些簡單反應(yīng)實驗，吻伸長反應(yīng)（PER）。總的來說，自由飛翔蜜蜂的學(xué)習(xí)和PER實驗蜜蜂的學(xué)習(xí)沒有區(qū)別。這些實驗提出疑問，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，這些成果讓我們認(rèn)識學(xué)習(xí)的一般規(guī)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(fā)更多的思路進一步研究，為研究學(xué)習(xí)和記憶普遍的神經(jīng)和分子機制奠定基礎(chǔ)。蜜蜂學(xué)習(xí)終止引發(fā)其對記憶的重新整合，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，還需要在脊椎動物系統(tǒng)中驗證。

對單個神經(jīng)元鑒定，在蜜蜂腦部找到很多與嗅覺學(xué)習(xí)相關(guān)的神經(jīng)底物。檢測的單個神經(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)的非對稱中央神經(jīng)元，該神經(jīng)元在獎勵行為中介導(dǎo)加固作用。神經(jīng)元信號傳遞到觸角小節(jié)和環(huán)狀結(jié)構(gòu)的蘑菇體，而這兩者參與嗅覺記憶通道。通過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依賴蛋白激酶信號通路是觸角的長期記憶構(gòu)造中一個重要物質(zhì)，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(jié)構(gòu)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(yīng)更強烈。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(nèi)神經(jīng)元在體外隨著嗅覺學(xué)習(xí)的變化表現(xiàn)出相應(yīng)的特征。例如，通過點擊實驗發(fā)現(xiàn)一個叫做PE1的神經(jīng)元與長期增強作用相關(guān)。在蘑菇體輸入側(cè)，鈣離子成像實驗表明，學(xué)習(xí)氣味的刺激可以特異性加強蘑菇體神經(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

蜜蜂基因組測序的完成，讓我們更好地研究社會行為和學(xué)習(xí)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(zhǔn)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(chǎn)物的功能。因此，基因表達分析，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)域一個很大的困難是沒有技術(shù)可以實現(xiàn)干擾特定基因的表達和蛋白功能。藥理學(xué)工具在脊柱動物中已有應(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)干擾一個基因，要檢測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間。但是設(shè)計轉(zhuǎn)基因的蜜蜂因為不是來自真正蜂群，使得這種技術(shù)也很難得到利用。任何時候，這種轉(zhuǎn)基因的動物都會遇到同樣的問題，因為它們不能真正適應(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所。還有一種轉(zhuǎn)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(shù)通過“活體電穿孔”蜜蜂大腦實驗得到驗證?；蛘{(diào)節(jié)組織特異性的認(rèn)識，新的載體（轉(zhuǎn)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(xué)習(xí)和記憶兩個緊密相關(guān)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(lǐng)域的一大進步。這讓研究重心放在社會行為和學(xué)習(xí)記憶的分子機制上，而這讓我們更好地認(rèn)識蜜蜂無脊椎模式系統(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)識為什么大腦結(jié)構(gòu)如此不同的動物，它們的生活卻如此相似。

劉 芳 余林生 譯