意大利蜜蜂不同品级脑部结构的观察比较

朱雪蕾，郑相相，朱雅雯，向晗一，欧阳霞辉

（西北民族大学 生命科学与工程学院，甘肃 兰州 730030）

意大利蜜蜂（Apis mellifera）是具有重要生态和经济价值的社会性昆虫，因其丰富的个体和社会行为以及相对简单的神经系统，成为社会行为学和神经生物学研究的最佳模式生物，是我国目前饲养的第一大蜂种[1]。在同一个蜂群内，蜜蜂依据形态和生理上的不同，承担不同的职责，遵循严格的等级分工，主要分为蜂王、雄蜂和工蜂三个品级[2]。意大利蜜蜂的蜂王体长约16～17 mm，每日产卵量在800～1 500粒，作为蜜蜂群体中唯一可繁殖的雌性蜜蜂，负责工蜂的生产，其健康状况对蜂群的生产力和寿命至关重要[3]。工蜂体长约12～13 mm，体色淡黄，主要担任筑巢、清扫巢穴、觅食、养育幼虫等工作，是蜜蜂群体衰老的社会调控的重要组成部分[4]。雄蜂体长约14～16 mm，金黄有黑斑，没有螫针，与处女王交配成功且蜂王产卵后，便成了蜂群中的赘物。

脑部是昆虫中枢神经系统的主要组成部分，接收昆虫身体内、外环境信息，处理信息，并调控昆虫的行为和生理活动，脑部研究是昆虫研究中的一大热点。国内对于蜜蜂脑部的研究主要是对中华蜜蜂的研究，李兆英[5]等人研究表明了中华蜜蜂的蜂王脑部具有较大的蕈形体。国外对蜜蜂脑部形态的研究主要集中在脑部三维立体结构的观察，Brandt Robert[6]等人构建了由20个个体的分段共聚焦显微镜图像，展示了蜜蜂大脑的平均形状图谱；Haddad[7]等人利用核磁共振成像技术看到头囊中完好无损蜜蜂脑的三维结构，研究得到关于不同脑室的形状和体积的详细信息。Zwaka[8]等人重建细胞内染色的单肾小球投射神经元，配准到3D蜜蜂标准脑图谱进行形态学的定量，研究发现了主动脉内两个束之间存在联系。还有部分研究发现蕈形体中的Kenyon细胞是其固有神经元并与年龄相关的组织[9,10]。目前对三个品级的意大利蜜蜂脑部组织结构的研究尚未见报道，本试验主要通过采用石蜡切片技术及HE染色对不同品级的意大利蜜蜂脑部组织结构进行了显微对比观察，比较三个品级意大利蜜蜂脑部结构组织的异同，为进一步揭示其生命活动机理，提供重要的形态学理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

意大利蜜蜂采自甘肃省兰州市榆中县兴隆山蜂场。

1.2 方法

解剖活力旺盛的成年意大利蜜蜂的蜂王、工蜂及雄蜂，取完整的头部。置于4%多聚甲醛固定液中4℃固定24 h，冲水2 h后，酒精设置一定梯度进行脱水处理；再使用二甲苯进行透明，最后对组织进行石蜡包埋。转轮切片机调至8μm，将蜡块连续切片后，蜡片裱于用多聚赖氨酸处理过的防脱载玻片上，烘干备用。切片脱蜡后复水，进行HE染色，中性树脂封片后，在显微镜下观察、拍照。

2 结果

2.1 成年蜂王脑部组织结构

在光学显微镜下观察到意大利蜜蜂蜂王脑部的基本组织结构由前脑、中脑、后脑三部分组成（见图1，A）。前脑(protocerebrum)由前脑叶和视叶(optic lobes)构成，前脑叶包括两个重要脑区，即蕈形体(mushroom bodies，MB)和中心复合体(center body，CB)。蕈形体以左右对称的形式位于脑的上方，由两个杯状的蕈体冠(calyx,C)、蕈体柄(pedunculus,P)以及一个α叶和一个β叶共同构成，其中靠近脑前方的是2个中蕈体冠(middle calyx,mC)，靠近脑后部的是2个侧蕈体冠(lateral calyx,lC)。中心复合体位于前脑中央、两侧蘑菇体之间，呈卵圆形，是一块沿脑中轴两边对称的复合结构，其背前方有前脑桥(protocerebral bridge)。视叶主要包括3个神经纤维网，即神经节层 (lamina)、视髓质层 (medulla) 和视小叶(lobula)；视髓层和视神经节层之间有外神经交叉(external chiasma)，由复眼发出的视神经纤维投射进入神经节层（见图1）。侧前脑(lateral protocerebrum,LP)位于前脑的腹侧面，包围着蕈形体，并将其与视叶和触角叶分开（图2，B）。

中脑(deutocerebrum)位于前脑下方，具有两个中脑叶，其中前面连着前脑，后面连着触角神经束。中脑主要由背叶(dorsal lobe,DL)和触角叶(antennal lobes,al)构成。两个蕈形体根部延伸到中心复合体的正下方，此处每个根部分为两个裂片。一个是内侧叶，突出到中线。另一个脑叶向上向前延伸，朝向大脑的前部。触角叶位于腹面，接收来自触角的感觉信息，是容纳嗅觉感受、机械感受和接触化学感受的多功能器官。

后脑(tritocerebrum)是脑的最小的部分，左右各有一叶，在前脑和中脑的背面（见图2，B）。围咽神经索延伸到咽下神经节(subesophageal ganglion,SOG)的运动中心。

图1 意大利蜜蜂蜂王脑部显微结构图

2.2 工蜂及雄蜂脑部结构

意大利蜜蜂工蜂脑部的基本结构与蜂王相似，由前脑、中脑、后脑三部分构成。前脑包括蕈形体、中心复合体和侧前脑。蕈形体由两个蕈体冠、冠的柄部以及向下延伸的复杂根系共同构成（见图2，D）。与蜂王的蕈形体比较，工蜂蕈形体的体积在脑部组织中所占比例更大，且蕈体柄部分更粗壮。呈卵圆形的中心复合体位于前脑中央一对蕈形体基部之间，其体积要大于蜂王。侧前脑位于前脑的腹侧面，相比于蜂王，在工蜂中侧前脑组织更细致紧密。中脑位于前脑下方，其中作为大脑主要嗅觉中枢的触角叶，在工蜂中结构更完整。后脑在前脑和中脑的背面，左右各成一叶，发出围咽神经索与咽下神经节连接（见图2，D）。工蜂脑部的各部分结构相比于蜂王更为发达。

雄蜂脑部同样由前、中、后脑三部分组成，其基本组织结构与工蜂和蜂王相似，最大不同点在于其头部具有大而明显的复眼，约占到整个头部的1/3，脑部的其他结构相对较小（见图3）。

图2 工蜂脑部组织显微结构图

3 结论与讨论

通过观察发现，意大利蜜蜂脑部的基本组织结构与其他昆虫基本相同，由前脑、中脑、后脑三部分构成。前脑占蜜蜂脑部组织的绝大部分体积，为最发达部分，包括蕈形体、中心复合体、视叶和侧前脑几个主要区域[11]。其中最重要的是蕈形体，对称的位于前脑的两侧，接收来自髓质、第二视叶神经细胞和小叶、髓质下游的第三视叶神经细胞的信息输入，是学习和记忆至关重要的多感觉整合中心[12,13]。中脑位于前脑的后方，是蜜蜂大脑连接触角的区域，在触角的各感觉器传入信息的通路中具有一定的作用[14,15]。后脑很不发达，位于大脑的底端，存在投射运动控制中枢的下行神经元树突，可能参与大脑的运动输出[16,17]。

通过比较发现，在意大利蜜蜂三个品级中，工蜂脑部的各部分结构相对较为发达，就蕈形体在脑部所占的比例来看，工蜂的最大，蜂王次之，而雄蜂最小[18]。在一个蜂群中，工蜂有丰富的蜂箱环境经验，工作复杂多样，对嗅觉系统、视觉系统及记忆整合等要求较高，因此可能促进了蕈形体的成熟和依赖学习能力的发展[19]。雄蜂在蜂群中的职责主要是和蜂王交配，这一行为在很大程度上依赖于对蜂王信息素的嗅觉检测[20,21]。雄蜂除头部具有大而显著的复眼，使它能够快速发现蜂王并对其进行追踪外，脑部其他结构的功能明显弱化。蜂王作为蜂群中唯一的有繁殖能力的雌性，主要职责是产卵，其觅食、学习、记忆等行为较为简单。由此看出，蕈形体作为多模态感觉整合神经元，对许多认知任务很重要，包括联想、结构学习和记忆，其大小与昆虫行为的复杂性有明显的相关性，其体积和结构随着职能的差异而发生变化。生殖蜂与工蜂的这种差异，可能与工蜂地对社会的适应感觉生态学和认知优势有关。

膜翅目社会性昆虫特别是蚂蚁[22]、蜜蜂[23]和黄蜂[24]的蕈形体体积大且复杂，相对于其他大脑区域包含大量的神经元，在每个大脑半球形成成对的神经纤维，每个神经纤维依次包括三个解剖学上不同的感觉输入区域：唇、颈和基底环。唇接收来自同侧触角叶的嗅觉信息，并可进一步细分为由内侧(m)和外侧(l)触角叶原脑神经束(APT)投射神经元支配的皮层和中央输入区[25]。颈圈通过前视上束、前视下束和小叶束接收来自同侧和对侧视叶的视觉信息[26]。基底环随着蕈形体的次分裂而发育，出现时间较唇、颈迟，内侧部分与唇一起接受嗅觉输入[27,28]。蜜蜂和膜翅目其他社会性昆虫之所以有特别大的蕈形体，且蜜蜂具有与社会性、导航性和学习性相关的特征良好的行为体系，原因可能就在于这些大脑区域的不同功能。

蜜蜂的大脑虽然小，却包含95万个神经元，而且蜜蜂大脑的神经和基础细胞可提供关于学习的神经相关因素的位置和内容的大量信息[29]。研究昆虫脑的解剖结构，将有助于理解行为和生理活动的神经调控机制。解剖学家根据蕈形体中神经纤维的传入和传出方式及蕈形体与周围脑区间的连接，能够推断出各部分脑部结构可能具有的功能。以形态学研究为基础，结合现代分子生物学技术可为进一步揭示其脑部特异表达基因的功能研究奠定基础。