在《细胞》杂志上发表的一项研究中，来自德国耶拿马克斯普朗克化学生态研究所的一组研究人员首次描述了气味如何在触角叶(飞蝗大脑的嗅觉中枢)中编码。

研究人员利用转基因蝗虫和成像技术，展示了大脑中气味的环状表示。触角叶中的嗅觉编码模式在蝗虫发育的各个阶段都是相同的。更好地了解蝗虫大脑中的嗅觉编码将有助于更多地了解这些昆虫的行为是如何被控制的，尤其是它们的群居行为。

飞蝗(Locustamigratoria)是一种具有重要经济意义的农作物害虫，据说在《旧约》中作为圣经十大灾难中的第八个灾难来到埃及，“吞噬所有生长的植物”。

蝗虫在欧洲很少见，但在非洲和亚洲，它不仅造成了数百万美元的损失，还对当地居民造成了致命影响，威胁到他们的食物和生存。蝗虫有两种形态：独居和成群。当蝗虫成群出现并毁掉整个收成时，人们最害怕。

飞蝗的嗅觉脑(触角叶)的解剖结构与其他昆虫不同，它负责接收和处理来自触角的嗅觉信息。飞蝗的触角叶具有独特且非常规的神经元结构，其中有超过2,000个球形功能性嗅觉单元(嗅球球)，而大多数其他昆虫的触角叶中只有20到300个嗅球球。

马克斯普朗克化学生态研究所的科学家们对昆虫如何感知气味并在大脑中处理气味很感兴趣。然而，最重要的是，他们想知道气味感知如何影响它们的行为。

“我们的目标是解决一个长期存在的难题：在飞蝗触角叶中，大量的球状体(结构和功能单位)是如何编码气味的。人们已经对蝗虫触角叶这种高度复杂的结构进行了数十年的观察，但由于缺乏合适的方法，气味编码的潜在机制仍然是个谜，”该研究的第一作者蒋兴聪说。

CRISPR/Cas9方法的引入代表了研究人员的方法学突破，因为它使得建立第一个在嗅觉传感神经元中表达遗传编码钙传感器GCaMP的转基因飞蝗成为可能。GCaMP是一种与钙结合时会发出荧光的蛋白质，钙在细胞活跃时会释放到细胞中。

利用功能性双光子钙成像技术，科学家们能够测量和绘制飞蝗所有六个发育阶段中各种生态相关气味的空间激活模式。

“我们的研究结果揭示了触角叶由特定的肾小球簇组成的不寻常的功能性环状组织。我们可以通过对特征明确的嗅觉受体进行靶向基因表达来证实这种肾小球排列，这种排列在整个发育过程中都存在，肾小球群中的嗅觉编码模式在从第一个若虫阶段到成年蝗虫的所有发育阶段都是一致的，”马克斯普朗克研究所嗅觉编码研究小组负责人SilkeSachse总结道。

飞蝗并非果蝇那样的模式生物，因此基因转化是研究人员面临的一大挑战。需要研究许多参数，因此这个过程非常耗时。飞蝗的脑容量异常大，也使得捕捉和分析图像数据变得困难。

“我们是世界上第一个成功将定点敲入方法应用于蝗虫的团队。我们从文献中得知，这种转基因的成功率很低，但我们成功了，”蒋兴聪说。

有趣的是，蝗虫触角叶中气味的空间编码反映了气味的化学结构，而不是它们的价态(无论是愉快的还是令人厌恶的)，这与苍蝇不同，苍蝇的气味价态已经在触角叶中得到体现，愉快的气味激活的结构与不愉快的气味激活的结构不同。

“我们观察到，某些化学类别的气味会引起某种模式：例如，具有相似化学结构但行为意义相反的芳香化合物会在触角叶的外围区域引起更强烈的反应。我们得出结论，气味价态的表征不是在触角叶中编码的，而是在蘑菇体和侧角等更高级的大脑中枢中编码的，”进化神经行为学系主任、主要作者之一比尔·汉森(BillHansson)说。

嗅觉密码的环状结构是飞蝗独有的解剖学特征。然而，这种编码机制不一定能移植到其他蝗虫物种身上。

“我们想知道这种环状结构是更糟糕的选择还是比我们在苍蝇身上发现的肾形排列更好的解决方案。未来对其他昆虫物种气味编码规则的研究将显示其他蝗虫物种是否也发展出了类似的编码模式，”SilkeSachse说道，他已经在考虑进一步的研究。

昆虫如何感知和处理气味，以及气味感知最终如何影响它们的行为，对于深入了解昆虫与环境的生态相互作用非常重要。例如，这有助于优化对蝗虫等农作物害虫的控制。

比尔·汉森说：“我们相信，更好地了解蝗虫大脑初级嗅觉中心的气味编码机制将大大加深我们对嗅觉介导行为(例如蝗虫群的形成)背后的神经调节的认识。”

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