به گزارش گروه علم و آموزش ایرنا از دانشگاه راکفلر، مورچه‌ها با استفاده از مجموعه‌ای از گیرنده‌های بویایی و پیام های شیمیایی به نام فرومون‌ها در دنیای پُر از رایحه و بوی خود، راه را پیدا می کنند. مورچه ها در تمام دوران زندگی خود، در جستجوی غذا، دفاع از لانه، جفت گیری یا مراقبت از نوزادانشان، پیام های شیمیایی را ارسال و دریافت می کنند. مغز مورچه برای پردازش رایحه ها به خوبی مجهز است: به طور مثال، مرکز پردازش بویایی در مغز مورچه ۱۰ برابر بیشتر از مگس‌های میوه بخش های فرعی دارد، حتی اگر مغز آنها تقریباً به یک اندازه باشد. با این حال هنوز نحوه رمزگذاری داده های رایحه ها در دستگاه بویایی مورچه ها 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. فرومون ها پیام های 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. پیشرفت های فنی اکنون این امکان را فراهم کرده است تا از این ابزار قدرتمند برای مطالعه رفتار اجتماعی مورچه ها استفاده شود.
شاخک‌ها
در سال ۱۹۵۸، ویلسون گزارش داد که ترشحات غده فک پایین مورچه‌های نجّار باعث می‌شود هم‌لانه های 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 فعالیت های اجتماعی پیچیده دیگر در کلنی های مورچه ها، توسط مجموعه وسیعی از فرومون ها تنظیم می شود.
گیرنده‌های بویایی مورچه‌ها روی نورون‌های شاخک‌های آنها قرار دارند که داده های دریافتی را به مراکز مغزی به نام لوب شاخکی می‌فرستند. لوب های شاخکی از ساختارهای تخصصی به نام گلومرول تشکیل شده اند که برای پردازش بوها ضروری هستند. برخی از مورچه ها بیش از ۵۰۰ گلومرول دارند که گمان می رود با توانایی بالای آنها در درک و تمایز بین فرومون ها مرتبط باشد. تحقیقات قبلی آزمایشگاه کرونور نشان داد مورچه هایی که گیرنده های بویایی آنها از بین رفته، نمی توانند به پیام های فرومون پاسخ دهند.
محققان در این مطالعه، مورچه های تراریخته خود را با تزریق مواد ژنتیکی رمزگذاری پروتئین مصنوعی GCaMP، به درون تخم مورچه‌های مهاجم به وجود آوردند. این مورچه های مهاجم گونه بدون ملکه مورچه هستند که از مورچه های کارگر نابینای ماده تشکیل شده‌اند. وقتی سطح کلسیم هنگام فعالیت سلولی تغییر می‌کند، مورچه به رنگ سبز فسفری می درخشد.
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: نورون های حسی، نورون های پرتابی که داده های حسی را به قسمت های دیگر مغز منتقل می کنند و همچنین نورون های بینابینی جانبی که همه چیز را به هم مرتبط می کنند.
هارت گفت: انواع دیگر سلول ها می توانند شاخص نسبت پیام (سیگنال) به نویز را تضعیف کنند، زیرا می توانند فعالیت های دیگری مانند محاسبات، پردازش اطلاعات و تعدیل پیام ها را انجام دهند. همه اینها می تواند کاری را که نورون های بویایی انجام می دهند، 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 شاخک ها مورچه‌های زنده، ثبت کنند.
محققان تصمیم گرفتند روی فرومون های هشدار تمرکز کنند، چرا که فرّار هستند و واکنش های رفتاری قوی و محکمی را ایجاد می کنند. این محققان دریافتند مورچه های بالغی که این رایحه ها را تشخیص می دادند بلافاصله تلاش کردند تا آنجا که می توانند تخم های 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 شاخک های ۲۲ مورچه تراریخته که در معرض طیف وسیعی از بوها، از جمله فرومون‌های هشداردهنده قرار گرفتند، از تکنیک جدیدی بهره گرفتند. تابش ها در ۶ گلومرول در یک ناحیه جمع شدند که نشان می دهد آن ناحیه ممکن است به عنوان دکمه وحشت مغز عمل کند.
هارت گفت: انتظار داشتیم بخش بزرگی از لوب شاخک نوعی واکنش به این فرومون های 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 می خواستند 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 می کند و صدها حسگر در آن واحد کار می کنند، در پردازش حسی به توان محاسباتی فوق العاده ای 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 گلومرول های مختلف برای چه کاری نیاز دارد؟
کرونوئر افزود: اکنون راحت‌تر می‌توان فهمید چرا مورچه‌ها بیشتر از سایر حشرات نیاز دارند رایحه ها 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 می کند.
او می‌گوید: ابزارهایی که تیلور ایجاد کرد، طیف وسیعی از سؤالات را مطرح می کند 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 ای ها استفاده می‌کنند. همچنین سؤالات جالبی در مورد دستگاه بویایی پیچیده این حشرات مطرح می کند. لارو مورچه هم دارای نورون‌های حسی بویایی است؛ بنابراین اکنون می‌توانیم به قابلیت‌های حسی آنها نگاه کنیم.