《Journal of Comparative Neurology》:On the Larval Sensory Organs and Central Nervous System of the Zoea 1 of the Asian Shore Crab Hemigrapsus sanguineus (Decapoda, Brachyura)
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许多十足目甲壳动物在个体发育过程中占据不同的栖息地,并在从幼体阶段向幼蟹阶段转变期间经历生态位转换。它们的生命周期包括浮游幼体阶段,在大多数物种中还包括底栖的幼蟹–成体阶段。十足目幼虫在孵化时即已拥有大量器官系统,以在浮游生物中自主生存和发育。它们还表现出丰富
许多十足目甲壳动物在个体发育过程中占据不同的栖息地,并在从幼体阶段向幼蟹阶段转变期间经历生态位转换。它们的生命周期包括浮游幼体阶段,在大多数物种中还包括底栖的幼蟹–成体阶段。十足目幼虫在孵化时即已拥有大量器官系统,以在浮游生物中自主生存和发育。它们还表现出丰富的行为库,能够对光、重力、静水压、潮汐流、温度、盐度、化学线索和食物浓度等环境刺激作出适当响应。考虑到幼虫令人印象深刻的行为表现,神经解剖学家过去已研究了幼虫神经系统功能形态学的选定方面,但这些知识分散在广泛的分类单元中。该研究旨在利用多种神经解剖学方法,对亚洲岸蟹Hemigrapsus sanguineus第一期溞状幼体(Zoea 1)的选定感觉器官及中枢神经系统形态提供简要描述,这些方法包括组织学切片系列的三维(three-dimensional, 3D)重建、扫描电子显微镜(scanning electron microscopy, SEM)以及免疫组织化学(immunohistochemistry, IHC)结合共聚焦激光扫描显微镜(confocal laser-scanning microscopy, cLSM)。该物种的幼虫发育周期包括五个溞状幼体期和一个大眼幼体期。在Zoea 1中,研究数据揭示了发达的视觉和嗅觉器官,包含数百个感觉受体神经元,以及与处理这些感觉输入相关的复杂初级视觉和嗅觉神经纤维网(neuropil)。研究人员观察到中枢视觉通路中神经组织的特别高投入。此外,幼虫脑包含若干特征性的次级神经纤维网,这些神经纤维网作为高级神经纤维网,在成体甲壳动物脑中被认为整合高度加工的多模态感觉输入,例如侧前脑(lateral protocerebrum, lPC;在成体蟹中将容纳蘑菇体)和包含中央体(central body, CB)的中前脑(median protocerebrum, mPC)。研究结果的讨论是在幼虫行为表现知识的框架下进行的,并考虑到幼虫对高级神经纤维网的投入,探讨了整合学习与记忆的复杂行为决策的可能性。
十足目甲壳动物普遍具有复杂的生活史,其浮游幼虫必须自主感知光、重力、静水压、潮汐流、温度、盐度、化学线索和食物浓度等多种环境刺激,并表现出丰富的行为反应。然而,以往对幼虫神经系统功能形态学的研究分散于多个分类类群,缺乏对单一物种幼虫感觉器官与中枢神经系统的整合认识。亚洲岸蟹Hemigrapsus sanguineus是原产于西北太平洋的入侵物种,目前已扩散至北美、北欧及亚得里亚海和黑海沿岸,并持续向北扩张。该物种成体神经解剖已有报道,但幼虫神经系统的研究仍是空白。研究人员以采自德国赫尔果兰岛(Helgoland)岩质潮间带(54°10′57″ N, 7°53′7″ E)的抱卵雌蟹所孵化的Zoea 1为研究对象,采用多种神经解剖学手段对选定感觉器官和中枢神经系统进行系统描述。研究揭示了Zoea 1已具备发达的视觉和嗅觉器官、相应的初级感觉神经纤维网以及多个特征性次级(高级)神经纤维网,填补了该入侵物种幼虫神经形态学的空白,并为理解幼虫感觉处理与行为决策的神经基础提供了重要证据。
研究人员于2024年采集抱卵雌蟹,实验室培养至幼虫孵化,取孵化后24小时的Zoea 1用于实验。主要技术方法包括:(1)经典组织学切片(Karnovsky固定、Embed812包埋、1.5 μm半薄切片、苯二胺染色)并结合数字切片扫描获得系列图像;(2)基于Amira软件对系列切片进行中枢神经系统三维重建和使用3D Slicer对复眼小眼进行重建与计数;(3)扫描电子显微镜观察体表感觉结构;(4)免疫组织化学结合共聚焦激光扫描显微镜,使用抗突触蛋白(synapsin)、血清素(serotonin)、FMRFamide、SIFamide、orcokinin和allatostatin等抗体进行标记。
3.1 复眼与中央视觉通路:组织学切片和三维重建显示Zoea 1的复眼尚无柄,每眼约有108–110个小眼;小眼在边缘区域并非完全辐射状排列,并存在未分化细胞构成的增殖区。发育中的眼柄内含有发达的视神经纤维网——lamina、medulla和lobula,其中medulla与lobula之间还可见一个球形卫星神经纤维网,表明幼虫在视觉处理方面已有显著神经投入。
3.2 侧前脑、窦腺与贝隆奇器官:侧前脑(lPC)在眼柄内呈大型球形均匀神经纤维网,尚未分化出蘑菇体;其通过原脑束(protocerebral tract, PT)与中前脑相连。窦腺(sinus gland, SG)位于血窦边缘,接受来自侧前脑的神经突束。贝隆奇器官(organ of Bellonci, OB)位于侧前脑前方,含有一个或多个洋葱体(onion body),并与腔隙和角质层孔道相关联。
3.3 中枢脑与口胃神经支配:中枢脑包含前、中、背、后前脑神经纤维网(APN、IPN、DPN、PPN)、中央体(CB)、原脑桥(protocerebral bridge, PB)和纵向神经纤维网(longitudinal neuropil, LNP);食管贯穿中枢脑。研究人员还鉴定出食管神经节(esophageal ganglion, EG)和口胃神经节(stomatogastric ganglion, STG)。值得注意的是,应用现有方法未能检测到第二触角传入的神经纤维网原基,提示该代表区在后续幼体阶段才发育。
3.4 嗅觉通路:第一触角具两根长而细的aesthetascs、一根较短aesthetasc及两根简单刚毛,其感觉神经元胞体聚集成簇,通过触角1神经(A1Nv)投射至嗅叶(olfactory lobe, OL)。嗅叶的突触