大黄蜂蕈形体 extrinsic neurons中物体与全景学习的神经关联研究

《Journal of Comparative Physiology A》：Search for neural correlates of object and panorama learning in mushroom body extrinsic neurons of bumblebees

　　

摘要
研究人员建立了一套基于实验室的训练装置，使大黄蜂能够在全景背景下学习奖励性物体（局部线索），同时可对被判定为蕈形体 extrinsic neurons (MBENs) 的单元进行细胞外神经活动记录。该设置模拟了访花蜜蜂在觅食时所面临的条件，但排除了与罗盘相关的条件。大黄蜂从具有蜂王的功能完整蜂群出发，凭借自发动机在蜂群与测试/喂食区域之间穿行。它们通过蔗糖奖励学习一个特定的取食位置，该位置由奖励性物体局部线索（蓝色金字塔圆柱体）标记，并与全景（匹配全景）保持固定的空间关系。自发选择测试和消退测试显示，对已学习的匹配条件表现出增强的搜索行为。单个或多个（最多三个）同时记录的神经元（此处称为单元）表现出与学习相关的差异，其神经活动或增强、或减弱、或保持不变。研究人员聚焦于局部线索与全景出现在同一区域（学习条件：匹配）或不同区域（不匹配条件）的测试。神经活动在这两种测试条件下存在差异。这一学习效应不依赖于所测试的区域，表明整个实验区域已被学习为一个环境，在该环境中局部线索与全景具有空间关联。未发现朝向目标（局部线索、全景、匹配或不匹配）的头部方向、到目标或通道口的距离相关的神经活动变化，也未发现类似位置细胞的神经活动模式。在某些单元中，在不匹配测试期间于局部线索与全景之间的多次行走过程中也观察到显著的神经效应。

**论文解读：大黄蜂蕈形体传出神经元对物体与全景学习的神经关联研究**

**1. 研究背景与问题**

社会性蜜蜂及多食性独居蜜蜂是高效的传粉者，它们通过学习和优化巢穴与蜜源之间的飞行路线来适应高度动态且竞争激烈的花源市场。已有研究表明，蜜蜂的导航依赖于多种线索及其关联，例如将细长地标（如森林边缘）的方向与太阳罗盘相关联，以及将蜂巢入口或食物来源与在该处所见全景进行匹配。在近距离测试中，蜜蜂通过全景与局部线索的最佳匹配来搜索食物或蜂巢入口。因此，全景与局部地标的关联不仅在蜂巢入口和食物源的近距离定向任务中发挥重要作用，也可能在更远距离的导航中扮演关键角色。然而，以往针对昆虫中枢复合体（central complex）的神经记录研究，多聚焦于与天体线索相关的方向成分，并未涉及针对奖励位置的联想性或探索性学习，或是测试条件过于简陋，难以与自然觅食条件相比。目前，尚未发现能与局部线索和全景学习直接相关的神经活动模式。因此，本研究旨在建立一种实验室测试程序，结合大黄蜂自发动机的搜索行为与MBENs的细胞外记录，以揭示这一基础导航任务的神经关联。

**2. 研究目的与主要发现**

研究人员设计了一套三室装置，包括训练/测试区域、喂食箱和蜂群箱，并采用全景（四种颜色的垂直条纹背景）和局部线索（装有蔗糖溶液的蓝色圆柱体）进行训练。训练中，局部线索与蓝色全景的空间位置相对于通道口伪随机变化，以强制蜜蜂学习两者的关联而非固定位置。行为测试结果显示，经过训练，蜜蜂在匹配条件下（局部线索与蓝色全景在同一区域）的行走距离显著增加，表明它们成功学习了该空间关联。在电生理记录中，研究人员从经过训练的大黄蜂的蕈形体γ叶α出口处植入电极，记录被判定为MBENs的单元活动。研究发现，在匹配与不匹配测试条件下，多数单元的放电频率存在显著差异，且这种差异不依赖于所测试的区域，表明整个实验区域已被学习为局部线索与全景具有空间关联的环境。研究未发现与目标方向、距离或类似位置细胞（place cell）的神经活动模式。此项研究首次揭示了MBENs在编码物体与其空间背景之间学习到的空间关系中的作用。

**3. 关键技术与方法**

本研究采用以下主要技术方法：首先，建立了一个由训练/测试区域、喂食箱和蜂群箱组成的三室行为学装置，使用全景（多种颜色条纹）和局部线索（蓝色圆柱体）进行训练；其次，采用自制的双通道铜丝电极（直径14 μm）进行细胞外电生理记录，电极尖端设计有银丝接地，插入深度精确控制在150 μm；再次，通过同步视频记录和神经信号记录系统，结合Arduino控制的LED闪光进行时间同步；最后，使用Spike2软件进行尖峰聚类和主成分分析（PCA）验证单单元分离质量，并通过R和GraphPad Prism进行统计分析。样本来源于Katz Biotech AG公司购买的大黄蜂（Bombus terrestris）蜂群。

**4. 研究结果**

**- 行为实验结果**
自发颜色偏好测试显示，蜜蜂对四种颜色的全景无先天偏好。经过训练，蜜蜂在蓝色全景区域的行走距离显著增加，且在匹配条件下对局部线索和全景所在区域表现出显著的搜索偏好。在不匹配条件下，蜜蜂在局部线索和蓝色全景两个区域均有较多行走。

**- 蕈形体传出神经元对行走状态的反应**
对同步记录的单元分析显示，放电频率在行走与静息状态间存在差异，部分单元在边界区域行走与在区域内部行走时的放电频率也存在差异，排除了运动伪迹的干扰。

**- 沿行走轨迹的神经活动空间分布**
通过将放电频率映射到行走轨迹上，未发现类似位置细胞的局部化放电频率变化（即局部高频或低频区域），也未发现与身体方向相关的神经活动模式。

**- 学习效应的量化**
比较匹配与不匹配条件下各个区域的平均放电频率，发现大多数单元的放电频率在两个条件间存在显著差异，表现为在匹配条件下放电频率的升高或降低。

**- 不匹配测试中反复行走过程中的神经活动**
在不匹配条件下，分析蜜蜂在蓝色全景与局部线索之间连续行走时的放电频率变化。结果显示，三个同时记录的单元中，一个单元放电频率保持稳定，一个逐渐升高，一个逐渐降低，提示这些单元可能以组合方式编码两个目标之间的行走方向及重复次数。

**5. 讨论与结论**

本研究通过设计排除罗盘成分的实验室导航任务，证明了大黄蜂能够学习局部线索与全景之间的空间关联，并发现MBENs的神经活动编码了这一学习获得的空间关系规则。研究结果支持MBENs可能参与高阶整合处理，类似于哺乳动物海马体与前额叶皮层的功能。在不匹配测试中，蜜蜂在局部线索与全景之间的行走伴随特定的放电频率变化模式，这暗示MBENs可能分别编码局部线索和全景信息。研究未发现位置细胞样或头部方向相关的神经活动，可能由于训练设计排除了固定方向关联，或记录样本量有限。最后，研究者认为MBENs可能与中枢复合体联合处理导航相关信息，共同构成导航编码的整合中枢，尽管该整合中枢的具体脑区位置仍是未知的。

论文发表于《Journal of Comparative Physiology A》。