Spontaneous neural activity in the developing ant olfactory system
这项研究表明，发育中的单王蚁（*Ooceraea biroi*）其嗅觉感觉神经元表现出阶段依赖性的自发神经活动，这暗示其扩张的嗅觉系统依赖于类似于哺乳动物的活动依赖性发育机制，而非在黑腹果蝇中观察到的非受体依赖性形成过程。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
大脑并非一个一次性构建完成的静态机器，而是一个在生长过程中必须自行完成线路连接的生命结构。在嗅觉系统中，即对气味的感知，这种布线过程显得尤为复杂。数以百万计的微小神经细胞，每一个都经过专门调谐以检测特定的气味，必须找到通往大脑正确目的地的路径，从而形成一个功能性的图谱。几十年来，科学家们一直在争论这些细胞是如何进行导航的。在果蝇身上，蓝图似乎仅由细胞的遗传代码编写，引导它们到达目标，而无需预先进行“交流”。然而，在哺乳动物中，这一过程似乎更加动态，依赖于即使在动物遇到气味之前也会自发产生的电信号。这些信号充当了一种排练，帮助神经细胞进行自我整理并建立正确的连接。长期以来悬而未决的问题是，蚂蚁在这个图景中处于什么位置。蚂蚁拥有的嗅觉系统足以媲美甚至超过哺乳动物，拥有数百种不同的气味受体，其大脑区域也布满了数以千计的微小处理单元。鉴于这种复杂性，人们似乎认为蚂蚁可能依赖于类似于哺乳动物那种活跃的、由信号驱动的发育模式，而非果蝇那种简单的、预设程序的模式。
为了解决这个谜题，研究人员转向了一种独特的昆虫：克隆掠夺蚁。与大多数在从幼虫向成虫转变过程中被坚硬、不透明的外壳包裹的昆虫不同，这种蚂蚁的蛹是半透明的，且缺乏保护性的茧。这种生物学上的奇特之处让科学家能够直接观察发育中蚂蚁的活体大脑，而无需将其切开。利用一种可以深入观察组织的专用显微镜，团队实时观察了负责嗅觉的神经细胞。他们对这些蚂蚁进行了基因工程改造，使其携带一种能在神经细胞活跃时发出光亮的荧光蛋白，将大脑中无形的电信号交流转化为可见的光闪。通过记录这些闪光数日之久，研究人员得以观察嗅觉系统是如何从变态发育的开始一直到成虫准备破茧而出时完成组装的。
他们所看到的是一个节奏不断变化的故事。在发育的早期阶段，即大脑嗅觉中心刚刚开始成形时，神经细胞虽然活跃，但却显得混乱。它们各自发出信号，彼此完全独立。有些细胞以快速、短促的爆发进行活动，而另一些则保持着长而缓慢的脉冲。细胞之间没有可以连接起来的模式；每个细胞似乎都在各行其是。这种不协调的活动在发育的中期阶段也持续存在。即便随着神经细胞数量的增加和大脑结构的日益明确，信号在很大程度上仍处于互不相连的状态，这表明细胞尚未以同步的方式进行沟通。这一发现挑战了关于蚂蚁复杂的嗅觉系统可能完全按照果蝇方式发育的观点（在果蝇发育过程中，此类活动通常是不存在的），但也不同于在哺乳动物发育中的眼睛里所见到的高度组织化的活动波。
真正的惊喜出现在蛹接近转化结束时，就在它们即将作为成虫孵化的一两天前。在这一后期阶段，那种混乱、独立的放电消失了。取而代之的是一种强大的、有节奏的脉冲席卷了整个系统。突然间，蚂蚁两根触角中的每一个神经细胞都开始完美地同步放电。这些不是随机的尖峰，而是巨大的、锯齿状的活动波，它们一同升起又一同落下，使左右两侧的大脑进行一场协调的舞蹈。这一全局性事件如此强烈，以至于即使不用高倍显微镜，仅通过标准光线下观察发光的触角也能看到。研究人员注意到，尽管这些波的定时在不同蚂蚁之间有所不同，但两根触角之间的同步性非常紧密，这表明在蚂蚁进入世界之前，进行了一场系统性的最终排练。
这些观察结果表明，蚂蚁嗅觉系统的发育路径更接近于哺乳动物而非果蝇。这种存在于随动物成熟而改变特征的自发性活动，意味着大脑不仅仅是在遵循一套僵化的遗传剧本。相反，神经细胞似乎利用这些内部信号来帮助它们进行自我排序并完善连接。早期的不协调活动可能允许细胞测试它们的连接，而后期的同步波则可能作为最后一次检查，以确保整个网络已准备好发挥功能。虽然这项研究尚未证明这些信号对于大脑正确形成是否绝对必要，但这一发现开启了一扇新的大门。它表明，蚂蚁复杂的社会生活（高度依赖化学通信）可能驱动了一种与其构建的系统同样精密的发育过程的进化。克隆掠夺蚁现在已加入到模型生物的行列中，让科学家能够观察大脑如何自我构建，从而为人类观察复杂嗅觉系统如何诞生提供了罕见的视角。
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