（神经生物学专业论文）鼎突多刺蚁的脑结构与社会分工的关系.pdf

鼎突多刺蚁的脑结构与社会分工的关系 王国强 摘要社会性昆虫群体是分析个体如何互相协作产生群体行为的良好系统。神 经系统的结构是如何影响工蚁的行为至今了解甚微，但是蘑菇体由于其在感觉信 息整合、学习与记忆中起的重要角色引起了科学家更多的注意。社会性昆虫和非 社会性昆虫相比，社会性昆虫的蘑菇体要大一些，暗示蘑菇体在调节社会分工中 起着重要作用。研究表明，在意大利蜜蜂中，承担复杂社会分工任务的个体其蘑 菇体体积显著大于承担简单任务的个体的蘑菇体体积。鼎突多刺蚁也属于高度社 会化的膜翅目昆虫，其社会分工是否也存在类似的神经结构基础? 为验证这一问 题，本文以鼎突多刺蚁( p o l y r h a c h i sv i c i n ar o g e r ) 为研究对象，采用常规组织形 态学方法研究了该种的社会分工与大脑结构之间的关系。 在l e i c a 显微镜下观察切片，进行拍照。同时用安装有3 d d o c t o r 软件的计算机 测量鼎突多刺蚁两组工蚁蕈体冠的面积，根据切片的厚度和张数来测算其蕈体冠 的体积，统计结果证明两组工蚁的蕈体冠的体积有明显差异。 运用尼氏染色法，对鼎突多刺蚁脑部形态结构进行了显微观察。结果表明鼎 突多刺蚁脑由前、中、后脑三部分组成：前脑中具有较大的蕈形体，说明它可能 具有比较发达的学习和记忆的能力；中脑中具有较大的嗅觉神经纤维球，表明鼎 突多刺蚁具有发育良好的嗅觉系统。与其它膜翅目昆虫相比，鼎突多刺蚁前脑中 的视叶较小。因此推测，视叶在其觅食，学习、记忆及其它行为中的作用不及中 脑嗅叶。后脑在整个脑部占据的面积很小，目前，它在蚂蚁脑部的作用还不很清 楚。 接下来分析取食活动对脑的影响，因为取食活动中视觉、嗅觉、以及触觉都 经历着丰富的变化，甚至要做出很多的行为决定，此外取食活动中的运动也需要 整个大脑的协调运做。不同工蚁蕈体冠体积的变化在本实验中比较明显，而蘑菇 体是与行为的调节功能以及行为的复杂性是相关的。这样就可以去解释不同工蚁 脑部结构存在着差异。因为外勤工蚁生存环境是多变的，导致感觉信号输入比较 复杂。例如，取食工蚁的工作主要在巢外去寻找以及拖运食物，但是留在巢里的 内勤工蚊一般是呆在昏暗的环境中。由于同一窝工蚁的遗传背景是相似的，这样 可以减少遗传因素对实验的影响。实验结果表明蘑菇体在鼎突多刺蚁工蚁的社会 分工中起着重要的调节作用。 关键词：蘑菇体可塑性学习与记忆社会分工鼎突多刺蚁 t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eb r a i ns t r u c t u r ea n dd i v i s i o no f l a b o u ri na n t ，p o l y r h a c h i sv i c i n ar o g e r w a n gg u o - q i a n g a b s t r a c te u s o c i a li n s e c tc o l o n i e sa r et r a c t a b l e s y s t e m s f o ra n a l y z i n gh o w i n d i v i d u a l sc o o r d i n a t et og e n e r a t eg r o u pb e h a v i o r t h ep r o p e r t i e so ft h en e r v o u ss y s t e m t h a ti n f l u e n c ew o r k e rb e h a v i o ra r ep o o r l yu n d e 陪t o o d ，b u tt h em u s h r o o mb o d i e s ( m b ) h a v er e c e i v e di n c r e a s i n ga t t e n t i o nb e c a u s eo ft h e i rp u m t i v er o l e si ns e n s o r yi n t e g r a t i o n ， l e a r n i n ga n dm e m o r y e u s o c i a li n s e c t sh a v er e l a t i v e l yl a r g e rm b ，p a r t i c u l a r l ym b c a l y c e s ，t h a nr e l a t e ds o l i t a r ys p e c i e s t h i sp a t t e r ni m p l i e st h a tt h em bc a l y c e sp l a ya n i m p o r t a n tr o l ei nr e g u l a t i n gd i v i s i o no fl a b o r r e s e a r c hi nh o n e yb e e s ( a p jm e l l i f e r a ) s u p p o r t st h i sh y p o t h e s i sb yl i n k i n gp l a s t i c i t yo ft h em u s h r o o mb o d i e sw i t hd i v i s i o no f l a b o ra m o n gw o r k e r s t h i ss u g g e s t st h a tt h em u s h r o o mb o d i e sm a yb ei m p o r t a n tf o r a d a p t a t i o n st oac h a n g i n ge n v i r o n m e n to rf o ra d a p t a t i o n st ov a r i a t i o n si ni n d i v i d u a l t a s k sh o n e yb e ef o r a g e r sh a v el a r g e rk e n y o nc e l ld e n d r i t i ca r b o r s ，a n di n c r e a s e d c a l y c e sv o l u m er e l a t i v et ot h ek e n y o nc e l lb o d yr e g i o n t h a nd on u r s eb e e s t h i s d i f f e r e n c ei sm o r es t r o n g l yr e l a t e dt oi n d i v i d u a ld i f f e r e n c e si nt a s kp e r f o r m a n c et h a nt o a b s o l u t ea g e t h e s es t u d i e si m p l i c a t et h em bi nt h er e g u l a t i o no fw o r k e rd i v i s i o no f l a b o r p a t t e r n so fd i v i s i o no fl a b o ri np o l y r h a c h i sv i c i n ar o g e ra r ec o n v e r g e n to nt h o s e o fh o n e yb e e s ，b u tw h e t h e rs i m i l a rm bc h a n g e sa r ea s s o c i a t e dw i t ht a s kp e r f o r m a n c ei n p o l y r h a c h i sv i c i n ar o g e ri sn o tk n o w n p a s s a g et h r o u g ht h i st a s ks e q u e n c ei sa s s o c i a t e d w i t hn e u r o a n a t o m i c a lc h a n g e si nt h em u s h r o o mb o d i e s ( m b ) o fh o n e yb e e 御妇) w o r k e r s w ea s k e dw h e t h e rp o l y r h a c h i sv i c i n ar o g e rw o r k e r se x h i b i ts i m i l a rc h a n g e s i na d u l tn e u r o a n a t o m y p o l y r h a c h i sv i c i n ar o g e rw e r ei d e n t i f i e da sw o r k i n gi n n e s l o rf o r a g i n g t h ep u r p o s eo ft h ep r e s e n ti n v e s t i g a t i o nw a st ot e s tt h eg e n e r a l i t yo fm b s t r u c t u r e t a s ka s s o c i a t i o n si na d v a n c e de u s o c i a lp o l y r h a e h i sv i c i n ar o g e r w ea s k e d w h e t h e rm b a n a t o m yc o r r e s p o n d st ot a s kp e r f o r m a n c ei np o l y r h a c h i sv i c i n a 脚 l a k eh o n e yb e e s ，p o l y r h a c h i sv i c i n ar o g e rw o r k e r se x h i b i ts t r o n gt a s ks p e c i a l i z a t i o n p o l y r h a c h i sv i c i n ar o g e ra r et h e r e f o r eag o o ds y s t e mi nw h i c ht ot e s tt h eg e n e r a l i t yo f t h eb r a i n b e h a v i o rr e l a t i o n s h i p sd o c u m e n t e di n a p i s t h eb r a i ns t r u c t u r eo fp o l y r h a c h i sv i c i n ar o g e rw a so b s e r v e db yn i s s ld y e i n g t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eb r a i ns t r u c t u r ew e r ec o m p o s e do fa n t e r i o r , m i d d l ea n d h i n d b r a i n ag i g a n t i cm u s h r o o mb o d yi na n t e r i o rs h o w e dt h a tt h ea n th a st r a n s c e n d e n t c a p a b i l i t y i n l e a r n i n ga n dm e m o r y t h e r ei sb i go l f a c t o r y n e r v ef i b e rg l o b ei n m i d d l e b r a i n ，w h i c hi n d i c a t e d t h a tp o l y r h a c h i sh c i n ar o g e rh a sw e l l d e v e l o p e d o l f a c t o r ys y s t e m h o w e v e r , t h eo p t i cg l o b ew a ss a m l l e rc o m p a r e dw i t ho t h e r h y m e n o p t e r ai na n t e r i o r b r a i n s ot h eo p t i cs y s t e m sf u n c t i o ni nl o o k i n gf o rf o o d ， l e a r n i n g , m e m o r ya n do t h e rb e h a v i o ri si n f e r i o rt oo l f a c t o r yg l o b e t h eh i n d b r a i ni s v e r ys m a l l ，a n di tsf u n c t i o ni sn o tc l e a r m i c r o s c o p i ci m a g e sw e r ev i d e o r e c o r d e da n dd i g i t a l l y s t o r e di nt h el e i c a m i c r o s c o p ea n de v a l u a t e db yac o m p u t e re q u i p p e dw i t hav i d e os o f t w a r eo f3 d d o c t o r a n da p p r o p r i a t es o f t w a r ea d a p t e df o rv o l u m em e a s u r e m e n t s f r o me a c hm i c r o s c o p i c s e c t i o n ，t h er e g i o n so fc a l y c e sw e r et r a c e do nt h ec o m p u t e rs c r e e na n dt h es u r f a c e c a l c u l a t e dt h em u s h r o o mb o d ys u b c o m p a r t m e n t so fc a l y c e s o nt h eb a s i so ft h es e c t i o n t h i c k n e s s ，t h ev o l u m eo ft h er e s p e c t i v ec a l y c e sw a st h e nc a l c u l a t e d t h ed a t ao fa n a l y s i s i n d i c a t et h a tt h ev o l u m eo ft w og r o u p s c a l y c e se x i s to b v i o u sd i f f e r e n c e w es u b s e q u e n t l ya n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo ff o r a g i n ga c t i v i t yi n g r e a t e rd e t a i l ， b e c a u s ef o r a g e r se x p e r i e n c eag i e a t e rv a r i e t yo fv i s u a l ，o l f a c t o r ya n dt a c t i l es t i m u l ii n t h ef o r a g i n ga r e n a sa n de x h i b i tm o r em o t o ra c t i v i t y i ti st h u sn o ts u r p r i s i n gt h a t 血 t h i ss t u d yw ef o u n dt h el a r g e rv o l u m ec h a n g e si nt h ec a l y c e s ，w h i c ha r et h es t r u c t u r e s m o s tc l o s e l yc o n n e c t e dw i t ht h ea d a p t a b i l i t ya n db e h a v i o u r a lc o m p l e x i t yo ft h ea n t s t r i k i n gm o r p h o l o g i c a ld i f f e r e n c eb e t w e e nf o r a g e r sa n dn u r s e s m a yb e h a v ed i f f e r e n t l y a n dm a yl i v ei nd i f f e r e n t n s o r ye n v i r o n m e n t s ( c 昌f o r a g e r sw o r k e do u t s i d el o o k i n g f o rf o o d sa n dt r a n s p o s i n gm a t e r i a lw h i l en u r s e sl i v ep e r m a n e n t l yi nt h ed a r kn e s t c u l t i v a t i n gf u n g u s ) w i t h i nac o l o n yt h e ya r es i s t e r sa n dg e n e t i c a l l yv e r ys i m i l a r a n t s o f f e rau n i q u eo p p o r t u n i t yt oa s s e s st h ee f f e c t so faw i d er a n g eo fb e h a v i o u r a la n d m o r p h o l o 百c a ld i f f e r e n c e sw i t h o u tt h ep r o b l e m sa r i s i n gf r o mg e n e t i cv a r i a b i l i t yw h e n c o m p a r i n g d i f f e r e n ts p e c i e s f o rt h e s er e a s o n s w et h i n kt h a tm u c hc a l lb el e a r n e da b o u t n e u r o n a lp l a s t i c i t ya n dt h ea d a p t a t i o no ft h en e r v o u ss y s t e mb ys t u d y i n gt h eb r a i no f p o l y r h a c h i sv i c i n ar o g e r k e yw o r d s m u s h r o o mb o d i e s d i v i s i o no fl a b o u r p l a s t i c i t yl e a r n i n ga n dm e m o r y p o l y r h a c h i sv i c i n ar o g e r 1 1 1 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得陕西师范大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：迸垒! 垒日期：塞竺2 ：! ：1 2 学位论文使用授权声明 本人同意研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属陕西师范大 学。本人保证毕业离校后，发表本论文或使用本论文成果时署名单位仍为陕西 师范大学。学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其它指定机构送交论文 的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进 入学校图书馆、院系资料室被查阅：有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 作者签名；劬张乞吼塑：! ：， 一文献综述 蘑菇体是昆虫脑内重要的感觉整合中枢，在行为调节与适应环境变化中起着 重要作用。早期的研究认为，蘑菇体为智力中枢且具有脑的高级功能。近来蘑菇 体被认为是研究昆虫社会分工的理想模型。 1 1 昆虫脑的基本结构及其功能 昆虫的脑可以分三个区域：前脑、中脑和后脑。前脑包括高级感觉中心，如蘑菇 体和中心复合体；中脑主要包括天线触觉区；而后脑主要包括内分泌神经元和控 制进食与消化的运动神经元。蘑菇体是昆虫脑内重要的感觉整合中枢，在调节行 为适应环境的变化中起着重要作用。中央复合体通常被认为是脑中协调运动的结 构，联络左右半脑发出指令。蘑菇体中包含了成千上万密集排列的内源性的肯尼 亚神经细胞，这些细胞的胞体及树突形成蕈体冠，轴突形成蘑菇体的柄，以及蘑 菇体的各个小叶。蕈体冠由中央和侧面的两个亚单位组成。每个蕈体冠由唇、领 和基底环三部分组成( 如图1 1 蕈体冠的红色部分是嗅觉整合区域、黄色是视觉整 合区域、蓝色是整合后的传出区域) 。蘑菇体通过冠内的肯尼亚细胞的树突接受起 始于触角叶的投射纤维传递的多种形式的感觉信息，每个区域都接受着特定的感 觉输入，依次是嗅觉、视觉、以及机械感觉i 。并通过肯尼亚细胞发出轴突传入柄 及柄基部中叶妒叶和y 叶) 和垂直叶( 4 叶1 2 】) 。蘑菇体的卢叶整合来自中央和侧 面蕈体冠的信息，不同类的感觉刺激从这些通路传出1 3 1 。 图1 1 蚂蚁的蘑菇体结构 f i g 1 1s t r u c t u r eo fm u s h r o o mb o d yo f a n t 图1 2 蜜蜂的蘑菇体结构 f i g 1 2s t r u c t u r eo fm u s h r o o mb o d yo f b e e 图1 1 引自g r o n e n b e r gl a b 图1 2 引自b e ew o r l d ，2 0 0 3 ，8 4 ：5 1 & c r i t t e n d e n l 4 l 挑选了8 种在蘑菇体中选择性表达的基因产物作为标记对象，这 些基因产物分别有着不同的生理、生化作用，在不同的神经细胞中表达的浓度不 同。如果蘑菇体中肯尼亚细胞存在着生理差别，而不是均一的，那么这些基因在 不同区域应有不同水平的表达。实验结果证实了这种猜想，其中有6 种基因表达 产物的免疫染色结果存在明显的区域性，就是这样定义了口伊叶、a f l7 叶和y 叶。 细胞系的研究表明，蘑菇体是起源于四个成神经细胞。每个成神经细胞自发地向 周边扩展，最后形成蘑菇体。l e e i5 】用克隆分析证实，每个成神经细胞后来都产生 三种不同类型的神经元，最早产生的神经元( 从刚孵化的幼虫期到幼虫中间形态 的第三期) 投射到y 叶。再到蛹壳形成的时候产生的神经元投射到a f l 叶，最后， 在蛹壳形成后产生的神经元投射到口伊叶。至于最近发现的卢以及a c 筘c 叶还没 有形成定论。现在有研究证明【6 l 在大多数的昆虫中蕈体冠的发育要晚于其它叶的发 育，这就表明肯尼细胞先产生轴突，然后才产生树突的。在蛹期的研究中发现簟 体冠和肯尼亚群的比率在逐渐增大。曾被证实蜜蜂的蘑菇体中存在三个解剖学区 域，分别接受来自不同感觉器官的信号i 引。如果可以证明昆虫蘑菇体存在形态和生 理上的区域化，就为蘑菇体的信号整合提供了解剖学依据。中心复合体一般是被 认为是控制运动1 7 1 和视觉整合中枢1 8 , 9 1 ，但是w e i d t m a n 发现中心复合体n o b 啪突 变体在飞行模拟器上对热刺激的躲避没有受到影响，但是学习记忆的能力却下降 y t l o l 。 用介入法在果蝇和其它的昆虫中揭示了蘑菇体和一些行为有关。第一例蘑菇 体缺失的突变体表现学习记忆的下降，为蘑菇体在学习记忆中的作用提供了有力 的证据。传统的形态学与现代的分子生物学方法揭示了蘑菇体的高级功能。应用 介入技术去除蘑菇体或者改变蘑菇体的部分结构后，会产生明显的行为缺陷。早 在2 0 多年前就有人用局部冷冻的方法证明蘑菇体在嗅觉辨别中具有重要的作用， 用一根细小的可以制冷的探针放置于蘑菇体的蕈体冠或者触角叶后嗅觉辨别会被 部分的阻断【l l j 。此外用基因突变的方法f 1 2 l 改变蘑菇体的结构以及用化学h u 法1 1 3 1 切除蘑菇体的方法也证明了蘑菇体在学习记忆中起重要的作用，但是没有说明学 习记忆的通路的具体定位。 s i v i n s k i 在1 9 8 9 年通过比较一些蝴蝶脑中蘑菇体体积的大小，寻觅食物的范 围以及行为，推测蘑菇体可能涉及空间学习。1 9 9 3 年m i z u n a m i 1 4 】等人将一只蟑螂 放在一个有视觉界标且具有不舒服的高温环境中测量它去发现一个看不见且具有 舒适温度的区域所花费的时间，并把它作为测试学习的依据。正常蟑螂从第一次 测试到最后一次发现它的逃跑潜伏期花费的时间逐渐缩短。后来用铝铂刀插入蘑 菇体的柄和口叶这些部位，反复测试，发现蟑螂的这种逃跑潜伏期却没有缩短的 迹象。这说明蘑菇体的柄和口叶在学习记忆中起着重要的作用。任何一种行为的 2 产生都需要一个完整的神经传导途径，因此通过介入法改变传导途径中的部分结 构，将有助于理解该结构的功能。 果蝇作为研究昆虫脑的经典模型是因为它的脑只有2 0 0 ，0 0 0 个神经元。如此相 对小的脑并且表现了惊人的行为谱，包括导航方向、求偶、学习与记忆。d u j a r d i n 早在1 5 0 年前就曾预言蘑菇体是昆虫的“智力中枢”，神经解剖学家和生理学家们发 现肯尼亚细胞群与和许多的信息通路相连特别是传递感觉信息的通路，这些细胞 接受视觉、嗅觉、感觉、味觉的刺激，并且发现蜜蜂、果蝇的蘑菇体随着性别、 年龄、环境以及个体在社会中的地位不同而发生变化的i l ”。社会性的昆虫和非社 会性的昆虫相比，一般具有比较大的蘑菇体，特别是蕈体冠。这也就暗示了，蘑 菇体的蕈体冠在社会分工中起重要的作用。在蜜蜂与蚂蚁的研究中，蘑菇体的可 塑性中社会分工也支持着这种假设1 1 6 ，1 “。并且在寿命相对短的果蝇中，发现成年 的果蝇如果在生存的环境的个体密度比较高的情况下蘑菇体也会发生变化，而果 蝇的行为基本上和社会性昆虫的一样复杂。并且果蝇的寿命相对短，在成年以后 脑体积也会在特定的环境中发生变化。因此，脑结构相对简单的果蝇、蜜蜂就自 然成为研究的理想模型。 大部分脑神经是在胚胎期和出生后发生的，近来的研究表明，从无脊椎动物 到人类，在成年后仍然会有新的神经在特定的脑结构中发生。激素、神经递质和 生长因子以及环境因素在调控这些神经的发生i 埔捌。在对一些成年昆虫的研究中 发现：感觉信号的输入会调节神经细胞的增划2 “。特别是在接受、整合多种信息 的蘑菇体中会发生这些变化。在丰富多变环境中喂养的成年蟋蟀中，发现提高了 蘑菇体中神经细胞的增殖l 捌。此外，神经元的活动性增强会诱导基因表达的变化， 在丰富多变的环境中喂养的动物中发现转录因子，比如c - f o s 和j u u 表达的提高 2 3 , 2 4 。在成年的大鼠中嗅觉被剥脱后，嗅球神经元的数量会下降1 2 5 l 。在鸟类中首 先证明，神经的增殖速度受到季节变化的影响【硐。蘑菇体一般被认为是脊椎动物 中海马的类似物。在蜜蜂的研究中发现，采蜜工蜂的肯尼亚细胞群的树突棘以及 蘑菇体蕈体冠的体积和肯尼亚细胞群的体积的比率，要相对的比在哺育的工蜂中 大一些【2 7 】。这种差异表现的和分工行为的关系要比年龄和激素的关系要密切些 1 2 s , 2 9 1 。这样就可以说明了，社会性昆虫的分工不同，是对脑的结构可塑性是有影 响的。h e i s e n b e r g 等人i 删指出，果蝇即使在成虫之后，脑部大部分区域仍然持续着 “重构”过程，以便对特定的环境作出适应性的反应。现在果蝇幼虫的神经肌肉接头 模型已经成为研究神经突触可塑性的理想模型1 3 l l 。目前认为神经元突触可塑性可 能是神经系统发育与学习过程的共同的生理基础【3 2 1 。v o l a d o 是果蝇体内发现的新 的记忆突变型基因，它编码一种叫做口整合素的黏附分子，这种分子可以介导细 3 胞调节和信息传递。v o l a d o 突变体在训练3 m i n 内就表现出嗅觉记忆的降低，说明 a - 整合素参与短期记忆的过程p ”。此外，v o l a d o 基因编码的这种口整合素分子在 蘑菇体中有优势表达，这中黏附分子通过改变突触连接的强度参与嗅觉记忆。第 二个细胞黏附分子是被f a s c i c l i n i i 基因编码。行为学测试表明，在f a s i i 突变体表 现出和在v o l a d o 中一样，短期学习记忆被破坏p 4 1 。f a s i i 蛋白质在a 6 叶有强烈的 表达，但是在y 叶中却微弱表达，就暗示了a 6 叶在学习记忆中去重要作用。f a s i i 是海兔a p c a m 的类似物，在海兔的神经可塑性中起重要作用。l e o n a r d o 基因被 证明编码的是1 4 3 3 蛋白家族的异形体。l e o 突变体的嗅觉学习记忆能力下降， 揭示其它信号通路，例如m a p k 和p k c 途径有可能存在于果蝇的嗅觉学习记忆 p ”，在研究果蝇幼虫期的神经肌肉接头发现：l e o 突变体表现出突触传递的降低。 可能是慢c a 2 + 通道影响了k + 通道的原因p q 。 近年的研究表明，附着于突触囊泡膜壁的突触蛋白( 如s y n a p s i ni ) 的磷酸化， 可能对突触觉囊泡的胞吐有作用。在脊椎动物中【“，它的功能包括神经突的延长， 突触的形成，以及调节突触囊泡的释放。在脊椎动物中发现了三种异形体。如单 独地去除某种表达，突触的结构和可塑性会发生特异性的改变。g o d e n s c h w e g e p s i 在果蝇中去除单种突触素，发现了突触的结构和突触的传递没有发生变化，但是 行为出现了的变化。s y n a p s i n 突变体表现出对酒精的耐受性增高，就象那些c a m p 通路突变体一样，表现出经过经典的条件化训练后，表现3 分钟后记忆缺失。这 暗示了，突触可塑性也许在递质释放水平受到调控。 在l a t h e o 克隆结果中发现l a t h e o 基因编码的是起始识别复合体的一个组成部 分。表明在d n a 复制过程中起重要作用。这也解释了l a t h e o 突变体在发育过程中 表现出的蘑菇体体积的减小【3 9 1 。出乎意料的是，l a t h e o 编码的基因产物在运动神经 元的突触中发现并且l a t h e o 突变体表现出在神经肌肉接头处突触觉传递和可塑性 的缺失1 4 0 l 。现在不明白究竟为何l a t h e o 的基因产物会出现在突触中? 此外，这种 蛋白质在突触中发挥什么样的作用也不清楚。 与其它动物一样，果蝇的长时记忆也依赖于新的蛋白质的合成和c a m p 反应 元件结合蛋白( c r e b ) 4 1 j 。这种蛋白的结合对象c r e 是一种增强子，特异性增 强c a m p 效应因子的转录和表达。c r e b 首先在果蝇中被y m 【4 2 l 和他的同事克隆。 他们发现发现c r e b 有几种异形体，一种被公认的异形体是d c r e b 2 a ，被认为编 码一种c r e b 激活蛋白。第二种异形体d c r e b 2 b ，作为一种编码负面的c r e b ， 可以阻断转录因子的活性。在果蝇中，用热休克诱导d c r e b 2 b 基因表达，可以 阻断形成长时记忆蛋白质的合成。y i n 4 2 】同时还报告诱导d c r e b 2 a 基因表达可以 增强长时学习记忆。同时发现破坏c r e b 的药物能特异地阻断长时程记忆的形成。 4 信息在神经系统内的长期储存需要激活新的基因表达，这与c r e b 调节转录的活 性和它的磷酸化作用密切相关。细胞内c a m p 浓度增加可以激活p k a 。在促进短 时程记忆形成期间，p k a 通过共价修饰突触前末梢各种蛋白质的结构并提高其活 性，从而促进经典递质的释放。而在长时程记忆形成期间，p k a 的c 亚基位移到 细胞核内，使包括c r e b 在内的多种蛋白质磷酸化，磷酸化后的c r e b 可增强多 种靶基因的表达，形成新的突触联系i 矧，从而使获得的信息得以长期储存，即长 时程记忆的形成。由此看来，在记忆活动中，c r e b 作为从共价修饰短期过程到转 录依赖长期过程的枢纽，是十分重要的。 另一引人注目的研究进展是，n m d a r 和细胞内钙离子活动最受人们关注。 n m d a r 通常是由重要的n r l 亚单位和变化的n r 2 亚单位组成的1 4 4 。n m d a r 通 道对c a 2 和n a + 有很高的通透性，这个通道的打开需要谷氨酸和突触后膜去极化的 同时作用，一旦通道被激活，大量的c a 2 + 就流入突触后细胞，引起一系列生化反 应导致突触的变化。细胞学的研究表明 4 5 1 ：n m d a r 在突触的可塑性中去作用， 包括l t p 和l t d 。在无脊椎动物中，药理学的研究表明n m d a 样受体在海马中调 控联合型学习以及在蜜蜂中调节记忆回放在果蝇的研究中发现，果蝇的基因组编 码n m d a r 同源体的俩个亚单位，d n r l 和d n r 2 ，它们编码的蛋白质优先在环绕 蘑菇体的神经元的树突上表达，但是在全脑中却只有微弱表达i 舳l 。 学习记忆是大脑的重要功能，与多种蛋白质的表达有关，所以必然涉及多个 基因的表达，因此研究每一个候选基因在学习记忆中的作用，对综合分析各个相 关基因的整体效应是非常必要的。遗传背景较为清晰的果蝇由于具有各类学习记 忆的能力，已经成为研究学习记忆机制的重要实验动物。已经筛选出若干嗅觉学 习记忆缺陷的果蝇单基因突变体，其中一部分与c a m p 信号转导途径有关系，例 如d u n c e ( d n c ) 、r u t a b a g ( r o t ) 和d c o 1 9 6 7 年d u d a i 等分离了果蝇第一个学习缺陷突变体，命名为d u n c e ( d n c ) 。d n c 在联合型学习及非联合型学习均有缺陷，其特点是有一定的学习能力，但记忆消 退快。d u n c e ( d n c ) ，r u t a b a g e ( r u t ) 和d c o 已经证实是与嗅觉学习记忆缺陷有关的果 蝇单基因突变体。d n c 基因可编码c a m p 特异性磷酸二脂酶( p d e ) ，携带此基因 突变型的果蝇表现p d e 活性降低，c a m p 水平升高，并且在多种学习和记忆过程 中表现有障碍1 4 7 l 。n a z i f 等人l 鹞j 发现c a m p 可能引起海兔感觉神经元形态的变化。 w u 等人【4 9 l 在果蝇中枢神经元培养的工作中显示果蝇神经元生长锥也与c a m p 水 平密切相关。 借助于清楚的遗传发育背景，通过分子遗传学手段，获取与各种行为表现型 或功能相关的单基因突变体果蝇已经成为一种研究的趋势，并使得果蝇在沿着“基 因一脑行为”方向进行的神经科学研究中发挥了重要作用。果蝇的基因测序完成 后，究竟是否存在一些对学习记忆起关键作用的基因成为人们关注的焦点。近几 年w a d d e l l 等1 5 0 , 5 1 j 对a m n c s i a c ( a m n ) 基因突变体进行的研究具有启示作用，a m n 突 变体是通过嗅觉学习筛选出来的记忆突变体，虽然对学习和短时程记忆影响不大， 但是却不能形成长时程记忆。a m n 基因表达产物是一种调节腺苷酸环化酶的神经多 肽前体。他们用这种神经多肽前体的抗体证明了a m n 基因只在果蝇脑中的一对背内 侧核团( d p mc e i l s ) 中表达。然后从“增强子随机打靶”获得大量的p g a l 4 品系中， 筛选出一种只在d p m 核团中有特异表达的果蝇品系3 1 6 。免疫组化的结果显示： d p m 核团的神经元轴突特异地投射到蘑菇体的a 、户和y 小叶上，即蘑菇体神经元的 轴突末端，而与蕈形体中的神经元胞体没有纤维联系。 首先，他们构建了转基因果蝇u a s g | 1 牟4 “品系，用于在a m n 突变体的d p m 核 团中认为地表达a m n 产物，来恢复a m n 突变体的基因缺陷。这种基因恢复后的果 蝇的长时程记忆明显高于a m n 突变体。说明了转入的a m n 基因的表达产物在a m n 突变体中发挥了补偿的作用。而如果将a m n 基因在a i i i n 突变体的其他脑区，甚至 在蘑菇体中表达都没有明显的补偿作用，这一结果说明，a m n 的基因产物作为一 种神经调质可能参与长时程记忆的形成。 为了进一步证明d p m 核团在学习记忆中的作用，他们通过选 c 3 1 6 u a s “1 杂交，在子代野生型果蝇的d p m 核团中表达s h i b i r e 蛋白。 s h i b i r e h s l 的表达产物是一种类似与高等生物中的动力蛋白，对突触小泡的释放起 关键作用。在热激状态下，s h i h s l 的表达阻断了d p m 核团中神经元之间的信息传递。 实验结果是相当惊人的：如果在训练过程中进行热激，在检测前恢复到正常温度， 果蝇的学习和短，长时程记忆都与野生型没有显著差别；如果在正常温度下训练， 在热激环境中进行检测，或者训练和检测都在热激环境中进行，果蝇的学习和短 时程记忆都不受影响，但长时程记忆却几乎为零。这一实验证明d p m 内部的神经 元之间以及d p m 与蘑菇体之间的递质传递对与记忆的获得和储存是可有可无的， 但是对于记忆的提取来说是不可缺少的。必须指出这个实验结果只能说明d p m 核 团中神经信号的阻断对记忆提取的影响，不等同于a 1 l n 表达产物的作用。虽然d p m 核团中突触小泡的释放受到了阻碍，但可能还存在某种未知的因素使记忆的获得 和储存保持正常。以前的实验只证明了蘑菇体是果蝇脑中嗅觉信号的主要加工、 整合区域，而现在找到了蘑菇体的一个重要调节核团d p m 核团。遗传学研究表 明果蝇脑中蕈形体的外源神经元中的一种神经肽一垂体2 腺苷酸环化酶肽 ( p a c a p ) 在嗅觉辨别记忆阶段是必不可少的。缺少p a c a p 的突变型a m n n e s i a c 果 蝇在训练之后测试时记忆良好，但是- d , 时后则表现出明显的记忆缺失。 6 c h e n l 5 2 1 等克隆了d n c 基因，发现其c d n a 克隆的蛋自产物与p d e a s e 的氨基 酸序高度同源，由此确定d n c 是c a m pp d e a s e 的结构基因。i g v j 。1 1 1 5 3 1 等发现果蝇 邝t 位点产生点突变后，钙钙调蛋白反应性腺苷酸环化酶( a c ) 的活性丧失，证 实川t 是a c 的结构基因，m t 突变后导致a c 失括将引起学习和记忆障碍。 对海兔经典条件化的过程的研究发现：c a m p 是神经元第二信使信号通路中的 重要环节，协助形成联想记忆。同样的研究在果蝇的研究中也得到证实。在实验 中发现d u n c e 突变体降低或减少了p d e 2 活性，从而引起突变体脑c a m p 含量的增 高，另一方面r u t a b a g e 突变体脑内c a m p 含量的降低。虽然俩种果蝇突变体对c a m p 代谢产生了相反的影响，但是它们都影响了学习记忆。用干扰c a m p 代谢的的药 物例如咖啡因处理正常的果蝇，影响了其学习，因此，认为正常的c a m p 水平对 于学习记忆是必须的，第二信使c a m p 含量的减少或增加都影响学习，表明嗅觉 学习不受c a m p 含量的直接影响，这就意味着在代谢过程中各个组分有一个最适 的平衡状态，增强或者减少代谢过程中的某一种组分都将引起整个系统输出的降 低 5 4 j 。d u n c e 和r u t a b a g a 双基因突变体学习能力更差，这表明腺苷酸环化酶和d p e 2 活性对果蝇具有正常学习记忆是必不可少的。目前认为c a m p 系统对学习记忆的 参与可能是通过调节神经元的突触可塑性来实现的。 z h o n g ”j 等以不同浓度的c a 2 + 刺激果蝇幼虫运动神经元，发现d n c 肌兴奋性接 头电流( e j c s ) 峰值比野生型高，0 2 m m o l f l c a 2 + 以1 5 0 s 的连续刺激可以使野生型 肌肉产生持续4 0 - 2 4 0 s 的p t i ，而d n c 和m t 没有产生，因此认为突触可塑性的改 变是d n c 和n i t 突变体学习记忆障碍的原因。 引入注目的进展是研究影响学习记忆基因在脑内发挥作用的部位。采用c a m p p d e a s e 抗体免疫组化的方法发现，果蝇成虫脑内染色强烈的区域是蘑菇体。原位 杂交显示d u n c er n a 在蘑菇体的核周体含量丰富。果蝇幼虫蘑菇体也显示强染色 说明d u n c ep d e a s e 在蘑菇体区域的神经元发育过程起着重要作用啪i 。 p i c a 是c a m p 信号途径中的重要调节者。是c a m p 信号途径的重要组成部分。 s k o u l k i s i s 7 和他的同事把工作集