研究发现蝴蝶物种的大大脑适应了它们的生存优势

布里斯托大学的科学家发现，赫利科尼蝴蝶的大脑随着采取新颖的觅食行为而生长。

它们大脑中的一个区域因其形状而被称为蘑菇体，比其近亲的大脑区域大两到四倍。

今天发表在《自然通讯》上的研究结果表明，神经系统的结构和功能与生物体的生态位和行为密切相关。

布里斯托尔生物科学学院的史蒂芬·蒙哥马利博士解释说：“袖珍蝴蝶是已知的唯一能够收集和消化花粉的蝴蝶，花粉为它们提供了成年蛋白质的来源，而大多数其他蝴蝶只以毛毛虫的形式获取蛋白质。

“这种饮食习惯的转变使得蝎尾鲨的寿命更长，但它们似乎只从低密度的特定植物物种中采集花粉。

“因此，了解这些植物的位置对它们来说是一种关键行为，但要做到这一点，它们必须在支持空间记忆的神经结构和细胞上投入更多。”

该团队重点研究蘑菇体扩张、感官特化与花粉取食进化创新之间的关系。

该研究涉及对大规模大脑结构、细胞组成和大脑连接性的比较数据的独特综合，以及跨物种行为的研究。

他们建立了从中美洲和南美洲收集的30 种以花粉为食的Heliconius物种以及密切相关属的 11 个物种的大脑 3D 模型。

测量了不同大脑区域的体积，并将其绘制在系统发育(家族)树上，以估计大脑组成发生主要进化变化的位置。

然后，他们通过量化蘑菇体中的神经元数量及其连接密度来研究神经回路的变化，并通过追踪处理视觉信息和嗅觉的大脑区域的神经输入，然后将其发送到中枢大脑来研究感觉专门化。 。

最后，他们与巴拿马史密森热带研究所合作，对关键物种进行了行为实验，以评估观察到的蘑菇体的扩张是否与视觉学习和记忆的改善相关。

一个惊人的结果是，在相对较短的进化时间内，在这些密切相关的物种中观察到蘑菇体大小的显着变化。在整个数据集中，蘑菇体的大小变化了 25 倍。

这提供了一个令人信服的例子，说明在行为适应的强烈选择性约束下，特定的大脑结构如何在进化过程中独立变化，称为马赛克进化。

蒙哥马利博士补充道：“我们发现蘑菇体大小的变化是由于‘凯尼恩细胞’数量的增加造成的，凯尼恩细胞是构成蘑菇体大部分的神经元，它们的相互作用被认为是记忆存储的基础。随着视觉系统输入的增加。

“蘑菇体的扩张和视觉特化伴随着视觉学习和记忆能力的增强。通过这种数据类型的综合，我们提供了一个清晰的例子，说明一种新颖的觅食行为与大脑的适应和相关的认知转变相一致。”

共同主要作者、布里斯托尔的 Antoine Couto 博士说：“这项研究揭示了Heliconius蝴蝶的大脑结构，特别是蘑菇体，如何发生了与它们专门的觅食行为密切相关的显着变化。

“这些蝴蝶进化出了更大的蘑菇体，具有增强的视觉处理能力，使它们能够辨别复杂的视觉模式并长时间保留视觉记忆。这些发现凸显了大脑进化与自然世界行为适应之间令人着迷的联系。”

共同主要作者弗莱彻·杨博士补充道：“这项研究提供了密切相关物种的神经生物学和行为数据的罕见组合，揭示了大脑在相对较短的时间内发生显着进化变化的明显例子，这与视觉能力的改善相一致。学习和记忆能力。识别大脑适应和行为转变之间的关系对于我们理解认知进化至关重要。”

蒙哥马利博士总结道：“我们提供的证据表明，即使是生活在同一栖息地的密切相关物种之间，大脑结构也可能存在显着差异。

“在这个例子中，一套行为的创新导致大脑中关键学习和记忆中心的急剧扩张，我们表明这些神经变化与认知能力的大幅增强同时发生。

“我们假设这些行为差异反映了对觅食行为选择的直接反应，以及蝴蝶为周围环境提取的信息来指导它们的行为”

了解蝴蝶的大脑解剖结构、感觉处理和觅食行为之间的关系还可以深入了解昆虫和其他动物的学习和记忆机制的进化，因为蘑菇体的功能和电路与脊椎动物的大脑有一些相似之处。因此，这些蝴蝶提供了一个优秀的系统，可以在其中探索具有广泛相关性的学习和记忆的神经基础。