Новая модель эволюции мозга медоносных пчёл
Исследователи предложили новую модель эволюции высших мозговых функций и поведения у насекомых отряда перепончатокрылых (Hymenoptera). Команда сравнила клетки Кеньона — тип нейронов в грибовидных телах (части мозга насекомых, отвечающей за обучение, память и сенсорную интеграцию) — у «примитивных» пилильщиков и высокоразвитых медоносных пчёл.
Было обнаружено, что три разнообразных, специализированных подтипа клеток Кеньона в мозге пчелы, по-видимому, эволюционировали из единого многофункционального предкового подтипа. Это исследование может помочь лучше понять эволюцию некоторых наших собственных высших мозговых функций и поведения.
Мозг млекопитающих велик и сложен, что затрудняет выявление взаимосвязи между поведением и нейронными и генетическими изменениями в ходе эволюции. Мозг насекомых меньше и проще, что делает их удобной моделью для изучения.
«В 2017 году мы сообщили, что сложность подтипов клеток Кеньона (КС) в грибовидных телах мозга насекомых возрастает с увеличением поведенческого разнообразия у перепончатокрылых», — пояснил профессор Такео Кубо из Токийского университета, соавтор исследования, опубликованного в Science Advances. «Но мы не знали, как эволюционировали эти разные подтипы. Это и стало стимулом для нового исследования».
Команда из Токийского университета и Национальной организации по исследованиям в области сельского хозяйства и продовольствия Японии (NARO) выбрала два вида перепончатокрылых с разным поведением: одиночного капустного пилильщика (имеющего один подтип КС) и высокоорганизованную, социальную медоносную пчелу (имеющую три подтипа КС).
Поскольку мозг пилильщика более «примитивный», считается, что он сохранил некоторые предковые свойства мозга пчелы. Чтобы выявить возможные эволюционные пути, исследователи использовали транскриптомный анализ для определения профилей экспрессии генов (генетической активности) различных подтипов КС и предположили их функции.
«Я был удивлён, обнаружив, что каждый из трёх подтипов КС у пчелы демонстрирует сопоставимое сходство с единственным типом КС у пилильщика», — сказал доцент Хироки Кохно, соавтор исследования. «Основываясь на первоначальном анализе, мы предполагали, что дополнительные подтипы КС добавлялись один за другим. Однако, похоже, они отделились от многофункционального предкового типа путём функционального разделения и специализации».
С увеличением числа подтипов КС каждый из них почти в равной степени унаследовал некоторые отличные свойства от предковой КС, которые затем модифицировались по-разному, что привело к их современным разнообразным функциям.
Исследователи также изучили конкретный поведенческий пример. Они обучили пилильщиков ассоциировать запах с наградой — стандартному тесту для пчёл. Затем они манипулировали геном CaMKII у личинок пилильщика, который у пчёл связан с формированием долговременной памяти. Когда личинки стали взрослыми особями, их долговременная память была нарушена, что указывает на схожую роль гена у обоих видов. Хотя CaMKII был активен во всём единственном подтипе КС у пилильщиков, у пчёл он предпочтительно экспрессировался только в одном подтипе КС. Это говорит о том, что роль CaMKII в долговременной памяти была унаследована конкретным подтипом КС у пчелы.
Несмотря на различия в размере и сложности мозга насекомых и млекопитающих, существуют общности в функциях и базовой архитектуре нервной системы. Поэтому модель, предложенная в этом исследовании для эволюции и диверсификации подтипов КС, может помочь лучше понять эволюцию нашего собственного поведения.
«Мы хотели бы выяснить, применима ли представленная здесь модель к эволюции других форм поведения», — сказал Такаёси Кувабара, аспирант и ведущий автор исследования. «Нейронная основа, контролирующая социальное поведение, будь то у насекомых, животных или людей, всё ещё во многом остаётся загадкой. Я считаю, что эта работа является новаторской в данной области».