حقایقی جالب در مورد دستگاه بویایی پیچیده مورچه‌ها

به گزارش مجله خبری نگار،اولین مورچه‌های تراریخته جهان دارای نورون‌های حس بویایی هستند که در پاسخ به رایحه‌ها، سبزرنگ می‌شوند. این ویژگی می‌تواند نحوه عملکرد سیستم اعلام هشدار مورچه‌ها در واکنش نسبت به خطر را توضیح دهد.

مورچه‌ها با استفاده از مجموعه‌ای از گیرنده‌های بویایی و پیام‌های شیمیایی به نام فرومون‌ها در دنیای پُر از رایحه و بوی خود، راه را پیدا می‌کنند. مورچه‌ها در تمام دوران زندگی خود، در جستجوی غذا، دفاع از لانه، جفت گیری یا مراقبت از نوزادانشان، پیام‌های شیمیایی را ارسال و دریافت می‌کنند.

مغز مورچه برای پردازش رایحه‌ها به خوبی مجهز است: به طور مثال، مرکز پردازش بویایی در مغز مورچه ۱۰ برابر بیشتر از مگس‌های میوه بخش‌های فرعی دارد، حتی اگر مغز آن‌ها تقریباً به یک اندازه باشد. با این حال هنوز نحوه رمزگذاری داده‌های رایحه‌ها در دستگاه بویایی مورچه‌ها به میزان زیادی ناشناخته مانده است.

برخلاف یافته‌های قبلی، مطالعه جدید که در نشریه Cell منتشر شده است، نشان می‌دهد تنها چند ناحیه خاص دستگاه بویایی در پاسخ به فرومون‌های هشدار دهنده فعال می‌شوند. فرومون‌ها پیام‌های خطری هستند که باعث وحشت و تخلیه لانه می‌شوند. این نتایج پرسش‌هایی را در مورد نحوه پردازش اطلاعات حسی در مغز مورچه و همچنین احتمالات وسوسه‌انگیزی را برای آشکار ساختن صد‌ها گیرنده بوی دیگر مطرح می‌کند.

دنیل کرونور، رئیس آزمایشگاه رفتار و تکامل اجتماعی در دانشگاه راکفلر می‌گوید: ابزار‌های نوروژنتیک در دهه‌های گذشته انقلابی در حوزه علوم اعصاب مگس میوه ایجاد کردند، در حالی که علوم اعصاب حشرات اجتماعی اساساً پیشرفتی نداشته است. پیشرفت‌های فنی اکنون این امکان را فراهم کرده است تا از این ابزار قدرتمند برای مطالعه رفتار اجتماعی مورچه‌ها استفاده شود.

شاخک‌ها

در سال ۱۹۵۸، ویلسون گزارش داد که ترشحات غده فک پایین مورچه‌های نجّار باعث می‌شود هم‌لانه‌های آن‌ها بر سرعت خود بیفزایند و رفتار‌های دفاعی اتخاذ کنند. او این پاسخ را «رفتار هشداردهنده» نامید. از آن زمان، دانشمندان گزارش دادند که رفتار هشداردهنده و بسیاری از فعالیت‌های اجتماعی پیچیده دیگر در کلنی‌های مورچه ها، توسط مجموعه وسیعی از فرومون‌ها تنظیم می‌شود.

گیرنده‌های بویایی مورچه‌ها روی نورون‌های شاخک‌های آن‌ها قرار دارند که داده‌های دریافتی را به مراکز مغزی به نام لوب شاخکی می‌فرستند. لوب‌های شاخکی از ساختار‌های تخصصی به نام گلومرول تشکیل شده اند که برای پردازش بو‌ها ضروری هستند.

برخی از مورچه‌ها بیش از ۵۰۰ گلومرول دارند که گمان می‌رود با توانایی بالای آن‌ها در درک و تمایز بین فرومون‌ها مرتبط باشد. تحقیقات قبلی آزمایشگاه کرونور نشان داد مورچه‌هایی که گیرنده‌های بویایی آن‌ها از بین رفته، نمی‌توانند به پیام‌های فرومون پاسخ دهند.

محققان در این مطالعه، مورچه‌های تراریخته خود را با تزریق مواد ژنتیکی رمزگذاری پروتئین مصنوعی GCaMP، به درون تخم مورچه‌های مهاجم به وجود آوردند. این مورچه‌های مهاجم گونه بدون ملکه مورچه هستند که از مورچه‌های کارگر نابینای ماده تشکیل شده‌اند. وقتی سطح کلسیم هنگام فعالیت سلولی تغییر می‌کند، مورچه به رنگ سبز فسفری می‌درخشد.

تیلور هارت، سرپرست تیم تحقیق و پژوهشگر آزمایشگاه کرونائر، گفت: هدف ما این بود که پروتئین مصنوعی را تنها در یک نوع سلول منفرد یعنی نورون‌های حسی بویایی بیان کنیم.

این موضوع مهمی بود؛ زیرا لوب شاخک از چندین نوع سلول تشکیل شده است: نورون‌های حسی، نورون‌های پرتابی که داده‌های حسی را به قسمت‌های دیگر مغز منتقل می‌کنند و همچنین نورون‌های بینابینی جانبی که همه چیز را به هم مرتبط می‌کنند.

هارت گفت: انواع دیگر سلول‌ها می‌توانند شاخص نسبت پیام (سیگنال) به نویز را تضعیف کنند، زیرا می‌توانند فعالیت‌های دیگری مانند محاسبات، پردازش اطلاعات و تعدیل پیام‌ها را انجام دهند. همه این‌ها می‌تواند کاری را که نورون‌های بویایی انجام می‌دهند، پنهان کند.

نسبت سیگنال به نویز معیاری برای نمایش میزان سیگنال مفید در مقابل سیگنال مزاحم (نویز) است.

دکمه وحشت مغز مورچه

محققان یک گروه کوچک از مورچه‌ها را با بیان پروتئین مصنوعی GCaMP در نورون‌های حسی بویایی پرورش دادند. آن‌ها همچنین یک تکنیک پیچیده تصویربرداری کلسیم دو فوتونی ابداع کردند که به آن‌ها اجازه داد برای اولین بار فعالیت عصبی را در سراسر لوب‌های شاخک‌ها مورچه‌های زنده، ثبت کنند.

محققان تصمیم گرفتند روی فرومون‌های هشدار تمرکز کنند، چرا که فرّار هستند و واکنش‌های رفتاری قوی و محکمی را ایجاد می‌کنند. این محققان دریافتند مورچه‌های بالغی که این رایحه‌ها را تشخیص می‌دادند بلافاصله تلاش کردند تا آنجا که می‌توانند تخم‌های زیادی را جمع کنند و پس از آن پابه فرار گذاشتند و به بخش مجاور محفظه آزمایش گریختند.

هارت و همکارانش از تکنیک‌های جدید خود برای کنترل میزان فلورسان GCaMP در لوب‌های شاخک‌های ۲۲ مورچه تراریخته که در معرض طیف وسیعی از بوها، از جمله فرومون‌های هشداردهنده قرار گرفتند، از تکنیک جدیدی بهره گرفتند. تابش‌ها در ۶ گلومرول در یک ناحیه جمع شدند که نشان می‌دهد آن ناحیه ممکن است به عنوان دکمه وحشت مغز عمل کند.

هارت گفت: انتظار داشتیم بخش بزرگی از لوب شاخک نوعی واکنش به این فرومون‌های هشدار دهنده نشان دهد. اما بجای آن مشاهده کردیم پاسخ‌ها به شدت موضعی بود. بیشتر لوب شاخک اصلا واکنش نشان نداد.

این محقق افزود: این یافته‌ها جزییاتی را در مورد چگونگی پردازش ورودی حسی در مغز مورچه نشان می‌دهد. محققان می‌خواستند بدانند آیا این فعالیت اختصاصی است و هر گلومرول فقط به یک یا چند محرک خاص پاسخ می‌دهد یا با ترکیب‌های منحصربه‌فردی از گلومرول‌هایی که توسط یک محرک فعال می‌شوند، پخش می‌شود.

هارت گفت: مغز با بیش از ۵۰۰ گلومرول که به صورت پراکنده عمل می‌کند و صد‌ها حسگر در آن واحد کار می‌کنند، در پردازش حسی به توان محاسباتی فوق العاده‌ای نیاز دارد و بیشتر بو‌هایی که آزمایش کردیم، تنها بخش کوچکی از کل گلومرول‌ها را فعال می‌کرد.

تحقیقات در مورد مورچه‌های تراریخته

این محقق اظهار داشت: با توجه به اینکه از ۵۰۰ گلومرول فقط ۶ گلومرول واکنش نشان دادند، این سوال پیش آمد که مورچه به این همه گلومرول‌های مختلف برای چه کاری نیاز دارد؟

کرونوئر افزود: اکنون راحت‌تر می‌توان فهمید چرا مورچه‌ها بیشتر از سایر حشرات نیاز دارند رایحه‌ها را متمایز کنند. هارت صد‌ها مورچه تراریخته را پرورش داده است که با همتایان وحشی خود فقط در توانایی پیام رسانی متفاوت هستند. این نتایج گنجینه بزرگی برای تحقیقات آینده فراهم می‌کند.

او می‌گوید: ابزار‌هایی که تیلور ایجاد کرد، طیف وسیعی از سؤالات را مطرح می‌کند که تاکنون غیرقابل دسترس بود. این سوالات در مورد ارتباط گلومرول‌های خاص با انواع فرومون‌هایی است که مورچه‌ها برای مواردی مانند حمله، نیروگیری و تمایز بین بیگانگان و هم لانه ای‌ها استفاده می‌کنند. همچنین سؤالات جالبی در مورد دستگاه بویایی پیچیده این حشرات مطرح می‌کند. لارو مورچه هم دارای نورون‌های حسی بویایی است؛ بنابراین اکنون می‌توانیم به قابلیت‌های حسی آن‌ها نگاه کنیم.