（动物学专业论文）日本弓背蚁嗅觉神经通路的超微结构研究.pdf

摘要 日本弓背蚁( c a m p o n o t u sj a p o n c 是一种群居生活而且 分工明确的社会性昆虫，其家族成员包括雌蚁、雄蚁、兵蚁、 大工蚁和小工蚁五种蚁态。这种明显的多态现象与分工明确的 社会性生活决定了他们的神经系统是很发达的。对其脑神经系 统的全面系统分析是昆虫脑神经研究的一个重要组成部分。 本实验以透射电子显微镜为实验手段，以日本弓背蚁为实 验材料，对其嗅觉通路的组织结构、形态特征进行了观察分析。 触角的嗅觉感受器有化学感受器、机城感受器几种，化学感受 器富含线粒体，分布于触角的内侧边缘，而机械感受器按照神 经纤维的传导方向，依分布于触角外侧，保护其他神经不会受 到伤害。中脑的嗅觉纤维球是嗅觉信息整合的形态和功能单 位，嗅觉纤维球是由神经纤维组成的神经纤维网，大量的突触 联系在神经纤维之间发生，这些纤维内部还含有丰富的线粒 体。前脑是高级神经中枢，这里的神经纤维之间发生着大量的 神经联系。突触是神经传导的重要结构，我们对突触的结构、 类型进行观察、分析。 在前任工作的基础上，对日本弓背蚁的嗅觉通路进行整体 的分析，以为建立日本弓背蚁脑神经模型提供亚显微水平上的 证据。 关键词日本弓背蚁；触角；嗅觉纤维球；突触；超微结构 i i a b s t r a c t a n t s ( c a m p o n o t u sj a p o n c s ) a r es o c i a li n s e c t sw i t hc l e a r d i v i s i o no fl a b o r t h e ya r ec o m p o s e do ff i v e c a s t e s ：f e m a l e s ， m a l e s ，s o l d i e r s ，b i g w o r k e r sa n ds m a l lw o r k e r s t h e p o l y m o r p h i s ma n dc l e a rd i v i s i o no fl a bl e a dt ot h e i rd e v e l o p e d n e r v e s y s t e m i t i sa n i m p o r t a n tp a r t i ni n s e c tb r a i nn e r v e r e s e a r c ht oa n a l y z et h e i rb r a i nn e r v es y s t e m t h ep r e s e n te x p e r i m e n tu s e de l e c t r o nm i c r o s c o p i cm e t h o d w i t ha n t c ，j a p o n i c s a s e x p e r i m e n t a l m a t e r i a l st oo b s e r v ea n d a n a l y z et h et i s s u es t r u c t u r e so fo l f a c t o r yp a t h w a y t h e o l f a c t o r yr e c e p t o r s o fa n t e n n a lc o n t a i nc h e m i c a l r e c e p t o r a n dm e c h a n i c a l r e c e p t o r c h e m i c a lr e c e p t o r h a s a b u n d a n tm i t o c h o n d r i aa n dl i e sa tt h ei n n e re d g eo fa n t e n n a l ， w h i l em e c h a n i c a l r e c e p t o r i sl o c a t e da tt h eo u t e r e d g e o f a n t e n n a la c c o r d i n gt ot h ee x t e n d i n gd i r e c t i o no fn e r v ef i b e r sa n d p r o t e c t s o t h e rn e r v e sf r o md e s t r o y t h eo l f a c t o r yg l o m e r u l io f t h ed e u t o c e r e b r u ma r e m o r p h 0 1 0 9 i c a l a n df u n c t i o n a lu n i t sf o r i n t e g r a t i n g t h e o l f a c t o r y i n f o r m a t i o n t h e o l f a c t o r yg l o m e r u l i a r en e u r o t i c c o m p o s e d o fn e r v ef i b e r si nw h i c ha b u n d a n t s y n a p t i c c o n n e c t i o n so c c u ra m o n gn e r v ef i b e r s ，a n dt h ei n n e r n e r v e sa l s oc o n t a i np l e n t yo fm i t o e h o n d r i a t h ep r o t o c e r e b r u mi s h i g h n e r v e c e n t e r ，w h e r e n e r v ef i b e r sh a v el o t s o fn e r v e c o n n e c t i o n sb e t w e e nt h e m s y n a p s ei s i m p o r t a n t s t r u c t u r eo f n e r v et r a n s m i s s i o n ，w eo b s e r v e da n da n a l y z e dt h es t r u c t u r ea n d p a t t e r no f t h es y n a p s e s o nt h eb a s i so fp r e v i o u sw o r k ，t h eo l f a c t o r yp a t h w a yi n c j a p o n i c s w a sw h o l l y a n a l y z e d t oe s t a b l i s ht h eb r a i nn e r v e m o d e li nc j a p o n i c sa n dt op r o v i d ed a t aa tu l t r as t r u c t u r a ll e v e l k e yw o r d s ：c a m p o n o t u s j a p o n i c s ；a n t e n n a l ；o l f a c t o r y g l o m e r u l i ；s y n a p s e ；u l t r a s t r u c t u r e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和敛谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东 北帅范大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者签名：丕l ：殓f = _ 1 期：五塑! 望。互。2 z 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的 规定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东：l l ：! j i t i 范大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名纽亟 日 期：施嬖正 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 指捌币签名景! 望聋 f 1 期：趔堡芏：61 6 电话： 邮编： 刖茜 日本弓背蚁( c 础j p o n o t u s j a p o n i e s ) 是一种社会化程度极高的昆虫， 群居生活，有品级分化及多态现象“。社群表现出一定的封闭性，即社群 内相互合作，社群问相互排斥或具有攻击性，表明蚂蚁具有亲属识别能力 “1 。蚁群为母系社会，家族成员包括雌蚁、雄蚁、大工蚁、小工蚁和兵蚁， 他们明确分工，各司其职”。蚂蚁的多态现象与社会性生活及行为的多样 性，说明蚂蚁的神经系统在昆虫中是很发达的。对其脑神经系统的全面系 统分析是昆虫脑神经研究的一个重要组成部分。 昆虫的一系列适应性行为如选择食物、取食、躲避危险、寻觅配偶及 为子代选择栖息场所等与化学信息的传递是密不可分的“。而这些化学 信息正是由触角表面各种感器的感觉细胞( 一级神经元) 将捕获的各种信 息经各自的轴突直接传入中脑( 嗅叶或触角叶) ，在中脑进行信号的加工、 编码整合，进而投射到更高级中枢前脑，由前脑对信息进行转换处理 “”。可见，昆虫有着复杂的嗅觉传导整合通路，而对其嗅觉系统的深入 研究必将大大加快昆虫脑神经学的研究进展。 触角是昆虫感觉系统的重要组成部分，行使着嗅觉、触觉、味觉及感 受气流、c o 。、湿度和温度等功能，其中尤以嗅觉的功能最为重要。触 角功能是通过密布其上的各种感受器接受来自外界的刺激，再由感觉细胞 的树突、轴突将刺激传递到中枢神经系统实现的。昆虫触角分为三节：鞭 节、梗节和柄节，不同节的感器、神经元类型及神经纤维分布有着较大的 差异。顶端的鞭节是昆虫触角对外晃刺激的最先接触点，其表面分布着数 目极多的不同形态功能的感受器，控制不同感受器的神经纤维，其数目从 一个到上千个不等。靠近脑部的柄节上，感受器数目较少，连接触角叶的 两束神经纤维在这里已汇集成神经纤维区”。 中脑是嗅觉信息加工、整合的中继站，在嗅觉传导通路中起到了关键 的作用。在中脑的靠近触角端的区域，对称分布着话个大型神经元胞体群， 细胞大小不一，主要包含两类二级神经元胞体，一类为小型局部神经元， 另一类是大型投射神经元。二级神经元与投射神经元发出的树突、轴突与 一级神经元的树突、轴突汇集形成的许多近似球形纤维网区，即嗅觉纤维 球“。嗅觉纤维球是触角叶的形态和功能单位，是具有发达嗅觉系统的脊 椎动物和无脊椎动物共同的特征性结构。在触角叶中几乎所有的突触联系 都发生在嗅觉纤维球内“。 前脑是昆虫产生控制各种行为的主要区域，这个区域集中处理了大量 的包括了定位、运动、学习、记忆等的信息，同时它也是嗅觉信息处理的 区域。因此，可以说前脑是昆虫各种信息、学习、记忆、指令的中心“。 在前脑叶中存在大量的神经元胞体与神经纤维网，他们之间有着密集的突 触联系，同时，这些神经元胞体中富含线粒体，亦表明该处神经活动的频 繁。经过中脑整合的信息传导到这里，在这里进行分析、转换，并发出指 令。 目前，对昆虫嗅觉系统的研究在很多方面开展起来并取得了很大的 进展。对昆虫触角的研究主要集中于蜜蜂、甲虫、果蝇等较为便于处理的 材料，且研究的内容也多集中于对其体表的化学及机械感受器进行形态上 的描述、分析，并利用免疫细胞化学的方法对特异性神经纤维及其胞体进 行定位的研究上。扫描电镜( s e 吣与透射电镜( t e m ) 的出现，使研究者们得 以对感受器进行精细的外部形态及超微结构的深入研究，结合触角刺激一 反应关系的电生理学实验，为探究感受器的功能提供了科学依据。1 9 9 6 年，c h i e n g 和h a n s s o n 进行了沙漠蝗的触角嗅觉感受器的外形分类及嗅 觉感觉神经的电生理学研究，通过扫描电镜观察感受器外形，将触角嗅觉 感受器分为腔锥感受器、锥形感受器和毛型感受器，并用透射电镜观察其 超微结构。在感受器的电生理实验中发现：毛型及锥形感受器中的感觉神 经对雄性产生的群聚激素及植物化合物有明显刺激反应，腔锥感受器中的 感觉神经对植物气味化合物及有机酸( 幼虫发出的气味化合物) 有明显反 应，但对群聚激素有抑制反应“”。1 9 9 0 年，a s e n 和b k m i t c h e l l 利用 电子显微镜观察并描述了甲虫的1 3 种触角感受器，在对比不同种属感受 器的区别的同时，描述了感受器胞体的结构，分析了嗅觉感受器的主要结 构特征。1 。而对于昆虫触角内部神经元、神经纤维的超微结构则很少涉及， 这主要是因为触角多细小；外骨骼骨化程度较高，切片时包埋剂难以支持； 前处理时又很难解剖取材等诸多因索所致。 另一方面的研究集中在对于嗅觉神经元和嗅觉纤维球的结构及其发 育上。1 9 9 0 年r y o h e ik a n a z a k i 等报道了烟草蛾前脑嗅觉神经元的生理 2 及形态。嗅觉信息在触角叶经过初步整合后，由投射神经元投射到前脑的 几个重要的神经纤维网区，包括蕈形体冠区和侧前脑区进行高级整合。已 报道的前脑神经元的生理及超微结构，为进一步理解烟草蛾脑中嗅觉信息 的整合通路提供了依据“。美国a r i z o n a 实验室在昆虫嗅觉通路的研究上 做了很多突出的工作。其中t o l b e r t 实验组对烟草蛾( m a n d u c as e x t a ) 的嗅觉系统发育有较深入的研究。通过方法上人为的控制各种类型的细胞 ( 触角感觉神经元细胞、触角叶本地神经元细胞、投射神经元细胞、神经 胶质细胞) ，观察这些细胞的缺少或缺失对嗅觉纤维球发育过程的影响“” “”“”。一定程度上验证了嗅觉纤维球是触角叶形态和功能的单位；触角 感觉神经元对嗅觉纤维球的正确形成有指导作用；触角叶本地神经元和投 射神经元通过信息的突触联系把感觉器官触角和高级中枢前脑联系起来； 神经胶质细胞在嗅觉纤维球发育和成熟过程中起界线作用等问题。而 h il d e b r a n d 实验组同样以烟草蛾为实验材料，研究了嗅觉系统的功能单 位和生理功能；嗅觉纤维球的胚胎后发育及种问、种内的嗅觉通讯等。他 们认为嗅觉纤维球是作为一种功能单位对特异气味进行化学信号的整合， 提出了“气味空间”的概念“”。蟑螂( 绝大多数是美洲蠊) 是常用的实验 材料之一；1 9 8 1 年，r o s p a r s 等就美洲蠊的中脑嗅觉纤维球发表了相关 报道；1 9 8 4 年，s c h a l l e r 研究了美洲蠊嗅觉激素敏感神经元；1 9 8 8 年， k r a u s 综合的研究了美洲蠊脑中神经元的分布及联系。 迄今为止。对于昆虫嗅觉通路的研究主要集中在个体较大易于解剖的 昆虫个体上，如烟草蛾、家蝇、蝗虫等；或个体较小、骨化程度不高的种 类，如果蝇等。由于蚂蚁个体小，外骨骼坚硬，解剖上有一定难度，相关 报道较少。只有瑞典z u r i c h 大学的m e y e re p 对沙漠蚁的光学感受器进 行了研究呻“。另外美国a r i z o n a 实验室也对蚂蚁有一些深入研究， 他们的主要研究方向集中在神经行为学方面。而以蚂蚁为研究对象，进行 嗅觉通路的神经解剖学研究，尚未见报道。 本实验应用电子显微镜技术“。”“，研究了日本弓背蚁( c a m p o n o t u s j a p o n i c s ) 嗅觉神经通路的组成，从触角嗅觉感受器的结构特征深入，对 其神经纤维的投射、嗅觉纤维球的结构、以及前脑三级神经元的细微结构 进行观察、分柝，旨在为进一步的昆虫脑神经生理功能的研究提供理论基 础。同时，通过该项研究可以为建立蚂蚁脑神经模型提供亚显微水平上的 证据。 4 材料和方法 一实验材料： 日本弓背蚁( 雌性) 5 只，体长为1 5 m m - - 1 6 m m ，2 0 0 2 年5 月中旬 采集，采集地点在东北师大校园内。 二实验方法： 1 取材： 用普通刀片迅速将日本弓背蚁的头部切下，并切去头后两侧部分外骨 骼及大颚，投入戊二醛固定液( 2 5 戊二醛，p h 7 4 ，0 1 m 磷酸缓冲液) ， 预固定l 2 小时。在双目解剖镜下用解剖刀和解剖针在镜下即可取出组 织。 2 前固定： 将取出的组织置于备好的戊二醛固定液( 4 。c ) 中继续固定8 2 0 小时( 常温) 。固定后的材料用o 1 m 磷酸缓冲液漂洗l 一2 小时，将组织 表面的戊二醛洗净，在此期间更换2 3 次缓冲液。 3 后固定： 将洗净的组织块放入1 o 1m 磷酸缓冲锇酸固定液继续固定1 5 2 小时。然后用蒸馏水清洗5 分钟，洗净样品表面的锇酸。 4 脱水： 洗净的组织块按浓度梯度脱水，其程序如下： 3 0 乙醇1 5 2 0 分钟 5 0 乙醇1 5 2 0 分钟 7 0 乙醇1 5 2 0 分钟 8 0 乙醇1 5 2 0 分钟 9 0 丙酮2 0 3 0 分钟 1 0 0 丙酮2 0 3 0 分钟 1 0 0 丙酮2 0 3 0 分钟 5 浸透： 脱水后的组织块用包埋剂浸透，浓度和时间依次为： 5 2 3 丙酮+ 1 3 包埋剂1 小时 1 2 丙酮+ 1 2 包埋剂l 小时 1 3 丙酮+ 2 3 包埋剂1 小时 包埋剂1 小时 包埋剂1 2 3 6 小时 6 包埋： 将组织块取出，放入灌满包埋剂的平板包埋槽内，双目解剖镜下定向 置于槽的端部，摆正位置后，即可在恒温箱内按3 5 ( 2 4 小时) 、4 5 。c ( 2 4 小时) 、6 0 ( 2 4 小时) 的梯度加温聚合。 7 切片： 在显微镜下修去包埋块中组织块周围的包埋荆。使块的碾端修成金 字塔形，顶面修成梯形或方形。用r e i c h e r t j u n g 超薄切片机将修好的包埋 块切成5 0 r i m 左右的切片。 8 电子染色： 切片置于2 0 0 目铜网上，烘干后用醋酸双氧铀柠檬酸铅染液复 染。 9 观察与摄片： 用日立h 7 5 0 0 0 透射电子显微镜( 加速电压为7 5 k v ) 观察材料的超 微结构，并对其清晰结构摄片。 6 结果 一触角的超微结构 触角的鞭节，控制不同感受器的神经纤维各自聚集成束，形成具有一 层膜包围的神经束。在低倍镜下，可见神经束的分布较为分散，在神经束 之间有一些脂滴存在。神经束均被双层膜包绕，但具有不同的形态。( 图 版1 ) 在触角中的神经元细胞体聚集分布，神经元胞体大小各不相同。但这 些胞体均有一圆形较大的核，核仁染色极深，呈斑块状分布于细胞核中。 在高倍镜下，可见核膜和细胞膜的双层结构，线粒体、内质网等细胞胞器 清晰可见，且含量较多。线粒体的结构清晰，可观察到嵴的存在。内质网 多为粗面内质网，附于其上的核糖体颗粒及散在于胞质中的核糖体染色较 深。( 图版2 ，图版3 ) 一级神经元发出神经纤维向下延伸汇集成神经纤维束，呈圆形，直径 较大，多在1 5 i xm 以上，这种神经束中含有数量极多的不同形态的神经纤 维。在高倍镜下，神经束膜为双层结构，两个神经束之间并无紧密联系， 无膜愈合的现象，其中的神经纤维有着不同的形态。多数的神经纤维在 0 1 i tm o 5 i tm 之间，纤维膜很清晰，可以观察到线粒体的存在，气管 含量非常丰富。还有一种神经纤维，电子密度较大，纤维粗细不等，纤维 膜不清晰，这种纤维一般聚集在一起，形成一个染色较深的区域。在这种 纤维中没有发现线粒体、气管的结构的存在。另外，还发现了轴突，染色 较浅，被膜，直径在2 i tm 以上，未发现其中有胞器存在。( 图版4 ) 另外一种神经束数量较少，直径也比较小，在5 u m l o um 之间，呈 椭圆形。这种神经束的特征在于。其中有一种染色较深的神经纤维，纤维 粗细均等，直径在0 0 7um 左右，神经纤维膜清晰，1 0 0 - - 2 0 0 根这样的 纤维聚集到一起，形成一个电子密度大的纤维区。每一神经束中约有1 0 个这样的区域。另外，这种神经束中还有一些直径较大的纤维分散存在， 并发现有气管、线粒体的存在。( 图版5 ) 在触角基部的柄节，神经纤维柬形态上出现了较大的不同。不存在不 同纤维的成束分布，所有的纤维汇集在一起，形成一个纤维区，构成了柄 节的基本结构。由于去掉了坚硬的外骨骼，包围神经纤维的双层膜清晰可 见。多数的神经纤维在0 1um - - o 5um 之间，纤维膜很清晰，染色较浅， 可以观察到线粒体的存在，但气管较为少见。轴突只集中分布在触角的边 缘部分，被膜清晰可见，为双层结构，其直径较大，在2 um 一4 um 之间。 ( 图版6 ) 一些电子密度较大的细小纤维聚集在一起，成为较大型的纤维 密集区，电子染色很较深，分散于整个触角中，尤其在边缘部分较多。在 高倍镜下，可见这个区域是出一些电子密度极大的神经纤维密集而成，这 些纤维很细，直径在0 0 2 “m o 0 6 um 之间，可见神经纤维膜。( 图版 7 ，图舨8 ) 二中脑的超微结构 在中脑前端存在着大量神经纤维集中排列形成的神经纤维束( 图版 9 ) 。其粗细较均匀纵切面、斜切面、横切丽在同一照片上方向基本一 致，可发现点状排布的微管、神经细丝清晰可见。与之相邻的轴突、树突 交互排列分布，密集成神经纤维网区。髓质神经纤维网的树突、轴突内线 粒体大量分柿( 图版1 0 ，1 1 ，1 2 ) 。线粒体形态多样，大小各异，有圆 形、椭圆形、棒状、哑铃形等。其嵴有横向、纵向、斜向等各种排列方式， 观察发现，嵴的排列方式与线粒体形状无相关性。靠近触角一侧的中脑前 端，对称分布着两个大型神经元胞体群，细胞大小不一，主要包含两类二 级神经元胞体，一类为小型局部神经元，另一类是大型投射神经元。 小型局部神经元的胞体形状为长形，长径约为4 7um ，细胞质密度 较大，细胞被质膜( p l a s m am e m b r a n e ) 包围着，在低倍电镜下，膜呈现 一条清晰的黑线( 图版1 3 ) 。胞体中稍靠近边缘有一较大型的细胞核， 为长圆形，长径约为3 5 4 2u m ，其电子密度较小，并且较均匀。细胞 核中核仁( n u c l e o l e ) 大部分散在分布，也有集中分布的核仁。核仁染色 极深，呈斑块状，边缘不平整，深色斑块中有较浅色区或中央空泡状( 图 版1 3 ，1 4 ) 。胞质内最明显的细胞器是线粒体( m i t o c h o n d r i o n ) ，另外， 细胞内还有内质网( e n d o p l a s m i cr e t i c u l u m ) 、核糖体( r i b o s o m e ) 颗粒、 脂滴等胞器分布。 大型投射神经元的胞体趋向于圆形，细胞核很大，直径在3 ，5 - 4 2 “ m 左右，占据整个细胞体的大部分空间，使周围细胞质( 即核周质 8 p e r i k a r y o n ) 形成一薄层围绕着细胞核( 图版1 5 ) 。核周质的体积在胞 体中所占体积较核所占体积小得多，染色较核深，且不均匀，有的部位核 紧贴细胞膜。可观察到线粒体、内质网、核糖体颗粒等各类细胞器。细胞 核中，核仁散在分布，核膜将核和胞质分开，核膜呈双层膜结构，两层间 有较大的空隙。细胞膜成双层膜结构，两层间距约为1 0 0n m 。细胞膜常 有断续处，可能是切面经过细胞膜孔。 中脑中存在许多大小不一，近似球形的嗅觉纤维球。每个嗅觉纤维球 都是一个致密的神经纤维网，其纤维密度及纤维粗细明显不同于非嗅觉纤 维球区。所观察到的都是几个嗅觉纤维球集中成簇，其周边被神经元细胞、 神经胶质细胞或非嗅觉纤维球神经纤维包绕( 图版1 6 ，1 7 ，1 8 ) 。就单 个嗅觉纤维球而言，其靠近细胞群一面( 通常被称为顶部a p e x e s 2 4 ) 神经纤维更致密，电镜下染色较深：及至基底部( b a s e ) 则着色较浅，神 经纤维相对粗大；神经纤维球内部的神经纤维纵横交错，其周边的神经纤 维或神经胶质细胞突起则大多数以切向纤维球的方向包绕，且一般是多层 包绕，以此将嗅觉纤维球分隔成一个个独立的致密神经纤维网单位( 图版 1 9 ) 。但嗅觉纤维球与嗅觉纤维球之间并不是完全孤立的，它们以纵向的 边界紧密相连，但组成边界的纤维较嗅觉纤维球内部的纤维更粗大、疏松， 且这些纤维之间未见突触联系，也没有发现有线粒体的分布( 图版2 0 ) 。 嗅觉纤维球内部神经纤维中存在着很多的线粒体，电镜下染色很深，高倍 镜下可观察到线粒体内的嵴，这些线粒体大小不一，形态各异，有圆形、 椭圆形、棒形等。有的一个神经末梢内竟含8 个线粒体之多，线粒体几乎 充斥着整个嗅觉纤维球( 图版2 1 ，2 2 ) 。 嗅觉纤维球外侧，一般是夹在嗅觉纤维球与神经元细胞之间存在有神 经胶质细胞或其突起。它与神经元细胞的形态学区别在于神经胶质细胞或 其突起的形状很不规则，细胞体很长，包绕在嗅觉纤维球周边，且其胞质 或突起内存在很多核糖体颗粒或粗面内质网。而且，在数量上也较神经元 细胞少得多，一般一个或几个成簇分布( 图版2 3 ) 。 三前脑蕈形体的超微结构 神经纤维向前脑蕈形体杯状萼延伸，在n 叶形成了密集的神经纤维网 区，这里可见大量无髓轴突、有髓纤维、粗细不等的树突干、树突棘。各 9 种轴突终术或胶质细胞突起等。有髓神经纤维明显少于无髓神经纤维。有 髓纤维粗细不等，直径为0 5 2 4um 。髓鞘厚度不等，板层4 勺层( 图 版2 4 ，2 5 ) ，轴突中线粒体分布较多，另外神经细丝、微管也很多见， 轴突终末膨大成各种形状。有圆形、椭圆形及其他各种不规则形状，内有 突触小泡( 图版2 6 ) 。树突粗细变化很大，大树突干中各种细胞器如线 粒体、粗面内质网常见，微管、神经细丝也是常见结构( 图版2 7 ) 。树 突变细时，微管数相对增加，而线粒体、内质网、神经细丝均减少。树突 分支常形成棘状突起树突棘，树突棘非常多，末端常成圆形、扁圆形或 芽状突起( 图版2 8 ) ，有些树突棘肉有滑面内质网形成板层，板层问有 少量致密物质称为棘器( s p i n ea p p a r a t u s ) 。 四神经元之间的联系 在昆虫的嗅觉信息的传导过程中，神经元之间的联系有突触联系和非 突触联系两种，突触联系起到了十分重要的作用。神经元细胞发出的大量 轴突、树突( 树突干与树突棘) ，它们之间发生突触联系，并以此方式进 行信息的传递。根据神经元末梢之间形成突触的前后成分不同，可分为轴 一轴突触( a x o - - a x o n i cs y n a p s e ) 、轴树突触( a x o - - d e n d r i t i cs y n a p s e ) 树一树突触( d e n d r o - - d e n d r i t i cs y n a p s e ) 、轴一棘突触( a x o - - s p i n o u s s y n a p s e ) 几种类型。这几种突触一般只有一个活性区( 图版2 7 ) 也可 见到两个或两个以上甚至五、六个活性区( 图版2 6 ，2 7 ) 。在活性区域， 可见突触前膜、突触后膜和突触间隙，突触间隙约为2 0 n m ( 图版2 6 ) 。 根据突触前后膜增厚的特点和突触间隙的大小，突触可分为非对称型突触 和对称型突触，多数情况非对称型突触的突触小泡为清亮圆形小泡( 图版 2 9 ) 。同时也发现一些中间类型，即突触间隙较宽而前后膜基本对称的突 触( 图版2 4 ) 。 还观察到多个轴突与一个树突形成的轴一树突触，即聚合式突触( 图 版2 7 ) ；一个轴突末梢与几个树突( 树突棘) 形成的轴一树( 棘) 突触， 即辐散式突触( 图版2 6 ) 。 另外，神经纤维之间可见到大量紧密连接和缝隙连接( 图版3 0 ) ， 这些连接均未形成突触结构。有些连接近似突触，两纤维之闳连接处增厚， 但未见突触小泡。 t o 讨论 昆虫纲是动物界最大的纲，在地球上有着广泛的分布。相对绝大多数 脊椎动物而言，昆虫的个体很小。但其复杂的社会性活动却吸引了人们的 注意，行为上的复杂性与其脑神经结果和功能上的复杂性是密不可分的。 昆虫的绝大多数社会性活动是依赖嗅觉的化学感受器。触角感受器接受外 界信息。将其传至信息整合的中继站一一中脑，整合加工后的信息进步 被传入高级中枢前脑的蕈形体和中央复合体，由前脑发出指令使昆虫 作出相应的反应。这一回路对于昆虫而言是十分重要的，我们研究的目的 在于深入探讨这一通路的结构功能，为昆虫神经行为学研究的提供超微结 构方面的形态学证据。 在日本弓背蚁触角的不同节段，神经元表现出极大的不同。鞭节部分， 由不同感受器发出的上行神经纤维各自聚集成为纤维束，不同的感受器发 出的纤维之间没有任何联系。而且，从形态上看，不同纤维束间存在很大 的差异。这是基于他们的感受器接受不同的刺激后的结果，具有不同信号 在同束纤维传导中产生相互屏蔽的功能，如嗅觉感受器、味觉感受器、触 觉感受器以及温湿度感受器等。“：由于日本弓背蚁对各种刺激的敏感程度 不同，因而造成不同的纤维束在数量上，结构复杂程度上的差异：对于化 学刺激最为敏感，而相对的，对机械刺激的反应较弱。 我们所观察到的多数的神经元，是一种化学、机械的混合感受器，这 是于它们的生理功能有关的。这些神经元胞体富含线粒体和内质网等结 构，说明它们有着频繁的活动，需要大量的能量。在它们的神经纤维束中， 既存在着机械感受器的结构管状体，同时神经纤维含量丰富，含有线 粒体、气管等结构以提供能量代谢的需要。日本弓背蚁感受器中最为重要 的是化学感受器，它对于日本弓背蚁的取食、定位、蚁群内信息传递都有 着极为重要的作用，因而，这种感受器的数目也最多。 雨我们发现的另外一种神经纤维束，我们推断它是一种机械感受器的 一种”1 。由于它有着丰富的小纤维，而且，这种小纤维电子密度较大，即 其有较厚的膜结构，这种膜结构构成了一个管状体，它的作用可能在于增 强纤维表面对力的传递能力及防御能力；另一方面，我们在柄节也发现了 1 l 这种纤维的存在，说明它有足够着的长度，当触角接触到物体的表面时， 控制表面张力的大小，从而保护其他神经不会受到伤害。 对日本弓背蚁触角基本的柄节的纤维束进行分析，不难发现，控制机 械感受器的神经纤维多分布于触角的边缘，这是与它们的功能相适应的结 果。而对于轴突主要分布于边缘也很好理解：触角化学感受器接受刺激是 最为主要的，通过轴突迅速传递到中脑的神经纤维球，在那里进行整合处 理后，出中脑的二级神经元传递到前脑并产生反应。为了保证这个神经传 导过程的顺利进行，要求中间传递过程受到外界影响最小，故而，轴突分 布于触角的内侧边缘，这是对环境的适应之一。 神经信息在中脑进行整合，嗅觉纤维球被认为是嗅觉信息整合的形态 和功能单位，嗅觉纤维球是致密的近球形结构，它是由嗅觉神经元，触 角叶本地神经元0 2 1 投射神经元及一些下行传出神经元发出的轴突或树突 末梢共同组成的神经纤维网。嗅觉纤维球的分布是不连续的，常常被神 经元细胞，神经纤维，神经胶质细胞或其突起隔开。但嗅觉纤维球并不是 孤立的，它们通过神经纤维彼此联系。就单个嗅觉纤维球来看，其与神经 元细胞群相近的一面染色较深，神经纤维也更细、更致密，在这里，嗅觉 神经元发出的神经末梢与本地神经元末梢形成传入( i n p u t ) 突触；相对 的一面染色较浅，多是本地神经元末梢与投射神经元末梢形成的传出 ( o u t p u t ) 突触；嗅觉纤维球中间部分则是传入与传出突触都有分布”“。 不同功能的突触在空间上的分布特点，为信息整合、传递的精确性和准确 性提供了保障。 包绕在嗅觉纤维球外的神经胶质细胞或其突起，成为嗅觉纤维球和嗅 觉纤维球之间的分界。”。胶质细胞在神经系统中是很活跃的成分，它们在 内环境的稳定，营养和发育中有积极的作用。”1 。 中脑中有两种类型的神经元细胞，一种是本地神经元。“，接受嗅觉神 经元传来的化学信息，再将它传递给投射神经元旧1 ；另一种是投射神经元， 负责把本地神经元传来的信息向更高级中枢一前脑传递。”啪1 。这两种神 经元在电镜下还不能通过其形态特征被区分开，都是多呈圆形或椭圆形， 有较大体积的细胞核及丰富的细胞器，特别是线粒体。形态学上的特征即 含有丰富的细胞器如线粒体、内质网及大而圆的细胞核都说明了这些神经 元细胞处在括跃的神经活动中。 1 2 前脑蕈形体含有丰富的神经纤维，神经纤维中存在着大量线粒体，说 明该处有着活跃的神经活动。这里的神经纤维与中脑前端不同，发生了大 量的神经联系，由中脑的投射神经元向高级中枢传递的信息均经由此处， 故而，神经活动更为频繁o ”。前脑神经纤维网中的突触，都以轴树和 轴棘突触为主，轴轴突触较少。 由上面的分析可知，嗅觉信息的传导是通过神经元之间的联系而完成 的。神经元和神经元之间的联系分为两种：突触联系和非突触联系，又以 前者为主要联系方式o ”。突触分为两种类型：对称型突触和不对称型突触， 一般认为，对称型突触为为抑制性突触。而不对称突触为兴奋性突触。”“。 我们所观察到的神经纤维网中的突触，都以轴树和轴棘突触 为主，轴轴突触较少。而大部分轴棘突触和轴树突触为兴奋 型突触，而少部分为抑制型，也发现一些中间类型。 通过观察还发现，突触有简单突触，也有复合突触。复合突触当中有 聚合式和辐散式两类。聚合式突触是把多个神经元的信息同时传向某一神 经元，是对信号的整合和处理，而辐散式突触是一个神经元同多个神经元 联系起来，与信息的扩散有关。这些结构有利于信息的易化和整合”。 嗅觉通路的研究对于昆虫脑神经生物学而言，是非常重要的基础，对 于日本弓背蚁这种个体小，具有坚硬外骨骼的昆虫来说，这方面的研究才 刚刚起步。触角、中脑以及前脑超微结构的研究正是为其生理功能的深入 研究提供理论基础。 参考文献 1 忻介六等，伊姆斯普通昆虫学教程( 第十版) ，高等教育出版社，1 9 8 7 2 m a r i a n al a g b e r g ，u 1 t r a s t r u c t u r ea n dc e n t r a lp r o j e c t i o t i so f e x t r a o c u l a rp h o t o r e c e p t o r si nc a d d i e s f l i e s ( i n s e c t a ：t r i c h o p t e r a ) ， c e l la n dt i s s u er e s e a r c h ，1 9 8 6 ，2 4 5 ：6 4 3 6 4 8 3 jc b r u c eb o s c h e k ，o nt h ef i n es t r u c t u r eo ft h ep e r i p h e r a lr e t i n a a n dl a m i n ag a n 9 1 i o n a r i so ft h ef l y ，m u s c ad o m e s t i c a ，z z e l l f o r s c h ， 1 9 7 1 ，1 1 8 ：3 6 9 4 0 9 4 谭声江，金黎，张敏等，日本弓背蚁亲系识别的研究，昆虫知识，第 3 7 卷，第3 期p 1 7 5 1 7 7 5 管致和等译，伊姆斯昆虫学纲要，科学技术出版社，1 9 8 2 ，6 3 6 5 6 v o w e sd w ，m o d e l s i nt h ei n s e c tb r a i n i nr f r e i s s ( e d ) ， n e u r a lt h e o r ya n dm o d e l i n g ，s t a n f o r du n i v p r e s s ，s t a n f o r d ，c a l i f 1 9 6 4 ，p p 3 7 7 3 9 9 7 v o w l e sd w ，t h e s t r u c t u r ea n dc o n n e x i o n so ft h e c o r p o r a p e d u n c u l a t ai nb e e sa n da n t s 1 9 5 5 ，q u a r t j m i c r s c i ，9 6 ：2 3 9 2 5 5 8 b l a n d ，r g a n t e n n a l s e n s i1 1 ao fa c r i 以d a e ( o r t h o p t e r a ) i n r e l a t i o nt os u b f a m i l ya n df o o dp r e f e r e n c e e n t o m 0 1 0 9 i c a ls o c i e t yo f a m e r i c a ，1 9 8 9 ，8 2 ( 3 ) ：3 6 8 3 8 4 9 as e na n db km i t c h e l l ，o l f a c t i o ni nt h ec o l o r a d op o t a t ob e e t l e ： u l t r a s t r u c t u r eo fa n t e n n a ls e n s i l l ai nl e p t i n o t a r s as p ，jb i o s c i ， j u n2 0 0 1 ：2 6 ( 2 ) ：2 3 3 4 6 i 0 t o l b e r tl p ，a n dh i l d e b r a n dj g ，o r g a n i z a t i o na n ds y n a p t i c u l t r a s t r u c t u r eo fg l o m e r u li i nt h ea n t e n n a ll o b e so ft h em a n d u c a s e x t a ：as t u d yu s i n gt h i ns e c t i o n sa n df r e e z e f r a c t u r e p r o c r s o c l o n d o nb ，1 9 8 1 ，2 1 3 ：2 7 9 3 0 1 1 1 t o l b e r tl p ，a n do l a n dl a 6 1 i a lc e l l sf o r mb o u n d a r i e sf o r d e v e l o p i n g i n s e c t o l f a c t o r yg l o m e r u l i e x p n e u r 0 1 1 9 9 0 1 0 9 ：1 9 2 8 1 4 1 2 m a l c o l mb u r r o w s ，t h en e u r o b i o l o g yo fa ni n s e c tb r a i n ，o x f o r d o n i v e r s i t yp r e s si n c ，n e wy o r k ，1 9 9 6 1 3 c h i e n g ，s a ，b s h a n s s o n m o r p h o l o g i c a lt y p e s a n d p h y s i o l g i c a lr e s p o n s e so fa n t e n n a l0 1 f a c t o r yr e c e p t e r an e u r o u si n t h ed e s e r t l o c u s t ，s c h j s t o c e r c ag r e g a r j a ( o r t h o p t e r a ) t h e p r o c e e d i n g so fi n t e r n a t i o n a lc o n g r e s so fe n t o m o l o g y 1 9 9 6 ，1 3 7 1 4 r y o h e ik a n z a k i ，e d m u n d a a r b a s + a n d j o h n g h il d e b r a n d ， p h y s i o l o g ya n dm o r p h o l o g yo fp r o t o c e r e b r a lo l f a c t o r yn e u r o n si nt h e m a l em o t hm a n d u c as e x t a ，t h ej o u r n a lo fc o m p a r a t i v ep h y s i o l o g y a ，1 9 9 0 1 5 0 1 a n dl a ，t o l b e r tl p ，a n dm o s s m a nk l r a d i a t i o n i n d u c e d r e d u c t i o no ft h eg li a lp o p u l a t i o nd u r i n gd e v e l o p m e n td i s r u p t st h e f o r m a t i o no fo l f a c t o r yg l o m e r u li i na n i n s e c t j n e u r o s c i 1 9 8 8 ，8 ：3 5 3 3 6 7 1 6 t o l b e r tl “p a f f e r e n ta x o n sf