意大利蜜蜂不同品級(jí)腦部結(jié)構(gòu)的觀察比較

朱雪蕾，鄭相相，朱雅雯，向晗一，歐陽(yáng)霞輝

（西北民族大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030）

意大利蜜蜂（Apis mellifera）是具有重要生態(tài)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的社會(huì)性昆蟲(chóng)，因其豐富的個(gè)體和社會(huì)行為以及相對(duì)簡(jiǎn)單的神經(jīng)系統(tǒng)，成為社會(huì)行為學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)研究的最佳模式生物，是我國(guó)目前飼養(yǎng)的第一大蜂種[1]。在同一個(gè)蜂群內(nèi)，蜜蜂依據(jù)形態(tài)和生理上的不同，承擔(dān)不同的職責(zé)，遵循嚴(yán)格的等級(jí)分工，主要分為蜂王、雄蜂和工蜂三個(gè)品級(jí)[2]。意大利蜜蜂的蜂王體長(zhǎng)約16～17 mm，每日產(chǎn)卵量在800～1 500粒，作為蜜蜂群體中唯一可繁殖的雌性蜜蜂，負(fù)責(zé)工蜂的生產(chǎn)，其健康狀況對(duì)蜂群的生產(chǎn)力和壽命至關(guān)重要[3]。工蜂體長(zhǎng)約12～13 mm，體色淡黃，主要擔(dān)任筑巢、清掃巢穴、覓食、養(yǎng)育幼蟲(chóng)等工作，是蜜蜂群體衰老的社會(huì)調(diào)控的重要組成部分[4]。雄蜂體長(zhǎng)約14～16 mm，金黃有黑斑，沒(méi)有螫針，與處女王交配成功且蜂王產(chǎn)卵后，便成了蜂群中的贅物。

腦部是昆蟲(chóng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的主要組成部分，接收昆蟲(chóng)身體內(nèi)、外環(huán)境信息，處理信息，并調(diào)控昆蟲(chóng)的行為和生理活動(dòng)，腦部研究是昆蟲(chóng)研究中的一大熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)對(duì)于蜜蜂腦部的研究主要是對(duì)中華蜜蜂的研究，李兆英[5]等人研究表明了中華蜜蜂的蜂王腦部具有較大的蕈形體。國(guó)外對(duì)蜜蜂腦部形態(tài)的研究主要集中在腦部三維立體結(jié)構(gòu)的觀察，Brandt Robert[6]等人構(gòu)建了由20個(gè)個(gè)體的分段共聚焦顯微鏡圖像，展示了蜜蜂大腦的平均形狀圖譜；Haddad[7]等人利用核磁共振成像技術(shù)看到頭囊中完好無(wú)損蜜蜂腦的三維結(jié)構(gòu)，研究得到關(guān)于不同腦室的形狀和體積的詳細(xì)信息。Zwaka[8]等人重建細(xì)胞內(nèi)染色的單腎小球投射神經(jīng)元，配準(zhǔn)到3D蜜蜂標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜進(jìn)行形態(tài)學(xué)的定量，研究發(fā)現(xiàn)了主動(dòng)脈內(nèi)兩個(gè)束之間存在聯(lián)系。還有部分研究發(fā)現(xiàn)蕈形體中的Kenyon細(xì)胞是其固有神經(jīng)元并與年齡相關(guān)的組織[9,10]。目前對(duì)三個(gè)品級(jí)的意大利蜜蜂腦部組織結(jié)構(gòu)的研究尚未見(jiàn)報(bào)道，本試驗(yàn)主要通過(guò)采用石蠟切片技術(shù)及HE染色對(duì)不同品級(jí)的意大利蜜蜂腦部組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了顯微對(duì)比觀察，比較三個(gè)品級(jí)意大利蜜蜂腦部結(jié)構(gòu)組織的異同，為進(jìn)一步揭示其生命活動(dòng)機(jī)理，提供重要的形態(tài)學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

意大利蜜蜂采自甘肅省蘭州市榆中縣興隆山蜂場(chǎng)。

1.2 方法

解剖活力旺盛的成年意大利蜜蜂的蜂王、工蜂及雄蜂，取完整的頭部。置于4%多聚甲醛固定液中4℃固定24 h，沖水2 h后，酒精設(shè)置一定梯度進(jìn)行脫水處理；再使用二甲苯進(jìn)行透明，最后對(duì)組織進(jìn)行石蠟包埋。轉(zhuǎn)輪切片機(jī)調(diào)至8μm，將蠟塊連續(xù)切片后，蠟片裱于用多聚賴(lài)氨酸處理過(guò)的防脫載玻片上，烘干備用。切片脫蠟后復(fù)水，進(jìn)行HE染色，中性樹(shù)脂封片后，在顯微鏡下觀察、拍照。

2 結(jié)果

2.1 成年蜂王腦部組織結(jié)構(gòu)

在光學(xué)顯微鏡下觀察到意大利蜜蜂蜂王腦部的基本組織結(jié)構(gòu)由前腦、中腦、后腦三部分組成（見(jiàn)圖1，A）。前腦(protocerebrum)由前腦葉和視葉(optic lobes)構(gòu)成，前腦葉包括兩個(gè)重要腦區(qū)，即蕈形體(mushroom bodies，MB)和中心復(fù)合體(center body，CB)。蕈形體以左右對(duì)稱(chēng)的形式位于腦的上方，由兩個(gè)杯狀的蕈體冠(calyx,C)、蕈體柄(pedunculus,P)以及一個(gè)α葉和一個(gè)β葉共同構(gòu)成，其中靠近腦前方的是2個(gè)中蕈體冠(middle calyx,mC)，靠近腦后部的是2個(gè)側(cè)蕈體冠(lateral calyx,lC)。中心復(fù)合體位于前腦中央、兩側(cè)蘑菇體之間，呈卵圓形，是一塊沿腦中軸兩邊對(duì)稱(chēng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其背前方有前腦橋(protocerebral bridge)。視葉主要包括3個(gè)神經(jīng)纖維網(wǎng)，即神經(jīng)節(jié)層 (lamina)、視髓質(zhì)層 (medulla) 和視小葉(lobula)；視髓層和視神經(jīng)節(jié)層之間有外神經(jīng)交叉(external chiasma)，由復(fù)眼發(fā)出的視神經(jīng)纖維投射進(jìn)入神經(jīng)節(jié)層（見(jiàn)圖1）。側(cè)前腦(lateral protocerebrum,LP)位于前腦的腹側(cè)面，包圍著蕈形體，并將其與視葉和觸角葉分開(kāi)（圖2，B）。

中腦(deutocerebrum)位于前腦下方，具有兩個(gè)中腦葉，其中前面連著前腦，后面連著觸角神經(jīng)束。中腦主要由背葉(dorsal lobe,DL)和觸角葉(antennal lobes,al)構(gòu)成。兩個(gè)蕈形體根部延伸到中心復(fù)合體的正下方，此處每個(gè)根部分為兩個(gè)裂片。一個(gè)是內(nèi)側(cè)葉，突出到中線。另一個(gè)腦葉向上向前延伸，朝向大腦的前部。觸角葉位于腹面，接收來(lái)自觸角的感覺(jué)信息，是容納嗅覺(jué)感受、機(jī)械感受和接觸化學(xué)感受的多功能器官。

后腦(tritocerebrum)是腦的最小的部分，左右各有一葉，在前腦和中腦的背面（見(jiàn)圖2，B）。圍咽神經(jīng)索延伸到咽下神經(jīng)節(jié)(subesophageal ganglion,SOG)的運(yùn)動(dòng)中心。

圖1 意大利蜜蜂蜂王腦部顯微結(jié)構(gòu)圖

2.2 工蜂及雄蜂腦部結(jié)構(gòu)

意大利蜜蜂工蜂腦部的基本結(jié)構(gòu)與蜂王相似，由前腦、中腦、后腦三部分構(gòu)成。前腦包括蕈形體、中心復(fù)合體和側(cè)前腦。蕈形體由兩個(gè)蕈體冠、冠的柄部以及向下延伸的復(fù)雜根系共同構(gòu)成（見(jiàn)圖2，D）。與蜂王的蕈形體比較，工蜂蕈形體的體積在腦部組織中所占比例更大，且蕈體柄部分更粗壯。呈卵圓形的中心復(fù)合體位于前腦中央一對(duì)蕈形體基部之間，其體積要大于蜂王。側(cè)前腦位于前腦的腹側(cè)面，相比于蜂王，在工蜂中側(cè)前腦組織更細(xì)致緊密。中腦位于前腦下方，其中作為大腦主要嗅覺(jué)中樞的觸角葉，在工蜂中結(jié)構(gòu)更完整。后腦在前腦和中腦的背面，左右各成一葉，發(fā)出圍咽神經(jīng)索與咽下神經(jīng)節(jié)連接（見(jiàn)圖2，D）。工蜂腦部的各部分結(jié)構(gòu)相比于蜂王更為發(fā)達(dá)。

雄蜂腦部同樣由前、中、后腦三部分組成，其基本組織結(jié)構(gòu)與工蜂和蜂王相似，最大不同點(diǎn)在于其頭部具有大而明顯的復(fù)眼，約占到整個(gè)頭部的1/3，腦部的其他結(jié)構(gòu)相對(duì)較?。ㄒ?jiàn)圖3）。

圖2 工蜂腦部組織顯微結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論與討論

通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，意大利蜜蜂腦部的基本組織結(jié)構(gòu)與其他昆蟲(chóng)基本相同，由前腦、中腦、后腦三部分構(gòu)成。前腦占蜜蜂腦部組織的絕大部分體積，為最發(fā)達(dá)部分，包括蕈形體、中心復(fù)合體、視葉和側(cè)前腦幾個(gè)主要區(qū)域[11]。其中最重要的是蕈形體，對(duì)稱(chēng)的位于前腦的兩側(cè)，接收來(lái)自髓質(zhì)、第二視葉神經(jīng)細(xì)胞和小葉、髓質(zhì)下游的第三視葉神經(jīng)細(xì)胞的信息輸入，是學(xué)習(xí)和記憶至關(guān)重要的多感覺(jué)整合中心[12,13]。中腦位于前腦的后方，是蜜蜂大腦連接觸角的區(qū)域，在觸角的各感覺(jué)器傳入信息的通路中具有一定的作用[14,15]。后腦很不發(fā)達(dá)，位于大腦的底端，存在投射運(yùn)動(dòng)控制中樞的下行神經(jīng)元樹(shù)突，可能參與大腦的運(yùn)動(dòng)輸出[16,17]。

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，在意大利蜜蜂三個(gè)品級(jí)中，工蜂腦部的各部分結(jié)構(gòu)相對(duì)較為發(fā)達(dá)，就蕈形體在腦部所占的比例來(lái)看，工蜂的最大，蜂王次之，而雄蜂最小[18]。在一個(gè)蜂群中，工蜂有豐富的蜂箱環(huán)境經(jīng)驗(yàn)，工作復(fù)雜多樣，對(duì)嗅覺(jué)系統(tǒng)、視覺(jué)系統(tǒng)及記憶整合等要求較高，因此可能促進(jìn)了蕈形體的成熟和依賴(lài)學(xué)習(xí)能力的發(fā)展[19]。雄蜂在蜂群中的職責(zé)主要是和蜂王交配，這一行為在很大程度上依賴(lài)于對(duì)蜂王信息素的嗅覺(jué)檢測(cè)[20,21]。雄蜂除頭部具有大而顯著的復(fù)眼，使它能夠快速發(fā)現(xiàn)蜂王并對(duì)其進(jìn)行追蹤外，腦部其他結(jié)構(gòu)的功能明顯弱化。蜂王作為蜂群中唯一的有繁殖能力的雌性，主要職責(zé)是產(chǎn)卵，其覓食、學(xué)習(xí)、記憶等行為較為簡(jiǎn)單。由此看出，蕈形體作為多模態(tài)感覺(jué)整合神經(jīng)元，對(duì)許多認(rèn)知任務(wù)很重要，包括聯(lián)想、結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)和記憶，其大小與昆蟲(chóng)行為的復(fù)雜性有明顯的相關(guān)性，其體積和結(jié)構(gòu)隨著職能的差異而發(fā)生變化。生殖蜂與工蜂的這種差異，可能與工蜂地對(duì)社會(huì)的適應(yīng)感覺(jué)生態(tài)學(xué)和認(rèn)知優(yōu)勢(shì)有關(guān)。

膜翅目社會(huì)性昆蟲(chóng)特別是螞蟻[22]、蜜蜂[23]和黃蜂[24]的蕈形體體積大且復(fù)雜，相對(duì)于其他大腦區(qū)域包含大量的神經(jīng)元，在每個(gè)大腦半球形成成對(duì)的神經(jīng)纖維，每個(gè)神經(jīng)纖維依次包括三個(gè)解剖學(xué)上不同的感覺(jué)輸入?yún)^(qū)域：唇、頸和基底環(huán)。唇接收來(lái)自同側(cè)觸角葉的嗅覺(jué)信息，并可進(jìn)一步細(xì)分為由內(nèi)側(cè)(m)和外側(cè)(l)觸角葉原腦神經(jīng)束(APT)投射神經(jīng)元支配的皮層和中央輸入?yún)^(qū)[25]。頸圈通過(guò)前視上束、前視下束和小葉束接收來(lái)自同側(cè)和對(duì)側(cè)視葉的視覺(jué)信息[26]。基底環(huán)隨著蕈形體的次分裂而發(fā)育，出現(xiàn)時(shí)間較唇、頸遲，內(nèi)側(cè)部分與唇一起接受嗅覺(jué)輸入[27,28]。蜜蜂和膜翅目其他社會(huì)性昆蟲(chóng)之所以有特別大的蕈形體，且蜜蜂具有與社會(huì)性、導(dǎo)航性和學(xué)習(xí)性相關(guān)的特征良好的行為體系，原因可能就在于這些大腦區(qū)域的不同功能。

蜜蜂的大腦雖然小，卻包含95萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元，而且蜜蜂大腦的神經(jīng)和基礎(chǔ)細(xì)胞可提供關(guān)于學(xué)習(xí)的神經(jīng)相關(guān)因素的位置和內(nèi)容的大量信息[29]。研究昆蟲(chóng)腦的解剖結(jié)構(gòu)，將有助于理解行為和生理活動(dòng)的神經(jīng)調(diào)控機(jī)制。解剖學(xué)家根據(jù)蕈形體中神經(jīng)纖維的傳入和傳出方式及蕈形體與周?chē)X區(qū)間的連接，能夠推斷出各部分腦部結(jié)構(gòu)可能具有的功能。以形態(tài)學(xué)研究為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)可為進(jìn)一步揭示其腦部特異表達(dá)基因的功能研究奠定基礎(chǔ)。