费城——根据宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的一项新研究，血脑屏障(BBB)已被发现在控制蚁群功能的关键行为中起着重要作用。这项研究对蚂蚁行为背后的复杂机制的影响超出了蚂蚁的世界。本周发表在《细胞》(Cell)杂志上的研究结果暗示，其他物种(包括哺乳动物)也存在类似的机制。
在蚂蚁和其他动物中，血脑屏障由紧密锁定的细胞组成，保护大脑免受细菌和其他有害物质的侵害。这种保护屏障在大脑和神经系统的运作中起着关键作用。这项研究由丹尼尔·s·奥克大学教授、宾夕法尼亚表观遗传学研究所所长谢莉·伯杰博士及其实验室领导，重点研究了木匠蚁和它们独特的基于种姓的行为。蚁群中的这些不同种姓(社会群体)通常在蚁群中执行不同的任务，并且在寿命上也经常表现出巨大的差异。
在这些蚂蚁体内，血脑屏障产生一种特殊的幼体激素酯酶(Jhe)，负责分解幼体激素(JH3)，而幼体激素是调节发育和繁殖成熟的。这种酶通常会沉积在昆虫的血液中。然而，研究人员发现木蚁血脑屏障产生的Jhe酶被保留在血脑屏障细胞内。这种定位酶控制进入工蚁大脑的JH3的数量。
在同一个蚁群中，不同类型的工蚁有不同的职责，比如收集食物、建造隧道或保卫蚁群。新的发现表明，这一结果部分来自于血脑屏障中不同水平的JH3酶表达，导致大脑中不同水平的JH3激素。这些差异促使不同工蚁在同一群体中表现出不同的行为，包括觅食和防御。
伯杰说:“这项研究揭示了一种酶与蚂蚁复杂的社会行为之间的显著联系。”“一种酶可以触发不同工蜂行为之间的转变，这对蜂群的功能至关重要。血脑屏障在控制这些行为方面的作用非常显著，其影响超出了蚂蚁的世界。”
这项研究开始于对不同蚂蚁阶层(觅食蚁和士兵蚁)的大脑进行单细胞RNA测序。这揭示了血脑屏障细胞中Jhe基因的独特表达。这一发现，再加上种姓特有的差异，激发了研究人员的好奇心，他们想要解开蚂蚁行为中这种机制的更广泛含义。
“这项研究的一个令人惊讶的方面是，观察到操纵兵蚁体内的Jhe水平会导致行为向觅食转变，”伯杰实验室的研究助理、联合首席作者卡尔·格拉斯塔德博士说。“这表明，编码Jhe酶的单个基因可以极大地影响觅食行为——这是蚁群结构的一个基本方面。”
研究人员还发现，在果蝇中，Jhe酶天然存在于细胞外。当他们让苍蝇血脑屏障表达蚂蚁版的Jhe酶时，他们看到了与蚂蚁相似的行为变化。
为了了解类似的机制是否适用于其他动物，研究人员还分析了一组小鼠细胞的已发表数据。该研究对小鼠内皮细胞的分析表明，血脑屏障控制的激素进入大脑可能是动物王国中普遍存在的现象。
“这项研究展示了现代生物学技术的力量，比如单细胞测序，在揭示隐藏的调控途径方面，”伯杰实验室的博士候选人、共同主要作者鞠林阳说。
研究人员认为，这一突破可以为理解不同生物的行为控制铺平道路。伯杰和她的团队现在专注于了解这种机制在其他蚂蚁物种中的普遍存在，并探索其对非昆虫物种行为调节的潜在影响。
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