У муравьев разных каст различается организация мозга

Муравьиные сообщества организованы так сложно, что их семьи даже называют суперорганизмами. Но несмотря на замысловатую социальную структуру, нейронов в мозге муравья примерно столько же, сколько в мозге дрозофилы. Это позволяет предположить, что социальная организация обусловлена не увеличением мозга, а специализацией нейронов и ремоделированием нейронных цепей.

Команда исследователей под руководством китайской компании BGI-Research впервые показала, как разделение труда и социальных ролей в муравьиных семьях связано со строением их мозга. Работа проводилась на фараоновых муравьях Monomorium pharaonis. С помощью транскриптомного анализа единичных ядер ученые проанализировали клетки мозга представителей четырех каст: самцов, самок, репродуктивных самок и рабочих.

Пробоподготовку и секвенирование проводили с использованием инструментов MGI — дочерней компании BGI. В результате исследователи получили 206 тысяч одноядерных транскриптомов клеток мозга муравьев, в среднем по 50 тысяч ядер для каждой социальной роли. Транскриптомы группировались в 43 клеточных кластера с различными паттернами экспрессии генов. Среди кластеров были клетки Кеньона, обонятельные нейроны, моноаминергические нейроны, астроциты, различные клетки глии и фоторецепторы. Для того, чтобы определить типы клеток, ученые сопоставляли экспрессию известных маркерных генов в нейронах муравьев и в нейронах других членистоногих. Результатом этого этапа работы стал первый транскриптомный атлас мозга муравьев, охватывающий все касты муравьиной семьи.

Затем ученые сравнили мозг взрослых M. pharaonis, дрозофил и некоторых других насекомых. Оказалось, что в мозге муравьев почти в пять раз больше клеток Кеньона — основных нейронов грибовидного тела мозга членистоногих — по сравнению с дрозофилами. Больше всего разнообразных подтипов этих клеток обнаружилось в мозге рабочих муравьев. (Грибовидные тела задействованы в процессах обучения и отвечают за работу памяти, особенно обонятельной.) Также в мозге муравьев втрое больше нейронов, связанных с обработкой обонятельной информации, чем у дрозофилы. Это согласуется с образом жизни и структурой муравьиного сообщества: муравьи живут на земле и под землей и взаимодействуют друг с другом во многом благодаря обонянию.

Ученые обнаружили, что мозг муравьев чрезвычайно специализирован в зависимости от их роли в колонии. Так, у рабочих особей много нейронов, отвечающих за обучение, память и обработку обонятельной информации, а вот клеток, ответственных за обработку зрительной информации (нейронов зрительной доли), очень мало. У самцов все наоборот: множество зрительных нейронов, но меньше нейронов, необходимых для обработки запахов, обучения и памяти. В самом деле, задач у рабочих особей гораздо больше, чем у самцов, единственная забота которых — найти и оплодотворить девственную королеву.

«Наши открытия предполагают, что функциональная специализация муравьиного мозга, по-видимому, является механизмом, лежащим в основе разделения социальных задач между отдельными особями. Мы, люди, учимся выполнять разную работу, в то время как муравьи рождаются с определенной ролью в своей семье», — говорит первый автор статьи доктор Цие Ли, сотрудник BGI-Research.

Также авторы выявили изменения в мозге самки, когда она после спаривания превращается в репродуктивную самку. Изменения затрагивали почти 35% подтипов клеток. Например, количество клеток зрительной доли уменьшалось по мере того, как самки адаптировались к темноте гнезда, в то время как количество дофаминергических нейронов и мантийных глиоцитов увеличивалось. Это может объяснять плодовитость и продолжительность жизни репродуктивных самок.

Наконец, ученые сравнили клетки мозга муравья и дрозофилы и обнаружили множество консервативных для насекомых типов клеток. Например, у дрозофилы есть популяция клеток зрительной доли, отвечающая за восприятие движения партнера во время ухаживания. Такие же клетки существует и у муравьев, особенно много их у самцов. Молекулярная сигнатура и пространственное расположение этих клеток очень схожи у двух видов. Возможно, они участвуют в регуляции брачного поведения самцов у насекомых независимо от социальной принадлежности.