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普林斯顿大学新闻

被隔离的大黄蜂弥补了这一点,它们后来更喜欢社交

一项新的研究表明,社会隔离会改变大黄蜂的行为和大脑发育,但不是以研究人员预期的方式。

这项研究探索了大黄蜂在关键的发育时期被社会孤立是如何影响它们的,大黄蜂主要依靠它们的社会本能来生存。

研究人员惊奇地发现,被隔离的蜜蜂成长为社交蝴蝶,表现出亲密关系或“友好”行为的增加——与他们的预测相反。详细研究结果的论文发表在5月17日的《当代生物学》杂志上。

该研究小组由生态学和进化生物学助理教授、刘易斯-西格勒综合基因组学研究所的莎拉·科克(Sarah Kocher)领导,对三组大黄蜂进行了一系列测试。一些蜜蜂被隔离,一些留在它们原来的蜂群中(蜂群饲养),一些与较小的蜂群一起饲养(蜂群饲养)。

研究小组预计,就像之前在各种生物身上展示的那样,被社会孤立的大黄蜂会表现出更强的攻击性行为,并减少与社会伙伴的互动。

Kocher实验室的博士后研究员Yan Wang说:“与此相反,我们没有看到大黄蜂的攻击行为增加。”“事实上,我们看到了从属行为的整体增加。”

观察大黄蜂的大脑发育可以为更广泛的关于大脑发育和社会性进化的问题提供关键的见解。

“因为昆虫和脊椎动物拥有共同的进化祖先,许多相同的分子机制塑造了两组动物的大脑,”Kocher说。“因此,我们在蜜蜂身上的许多发现也可以延伸到脊椎动物身上。”

这就是为什么拥有神经科学博士学位的王有兴趣加入这个项目。

“大黄蜂已经成为一个非常好的候选者,可以开发许多用于研究社交和脑科学的尖端工具,”王说。

另一个令人惊讶的变化是,通过比较单独和一群蜜蜂的大脑发育,结果惊人地相似,表明只与少数其他蜜蜂互动就足以让它们发展出与整个蜂群相同水平的社交技能。

然而,根据王的说法,被隔离的蜜蜂得到的结果是“到处都是”的,并且在大脑不同区域的大小和基因表达方面比研究人员预期的更随机。

“我们的研究结果表明,在缺乏这种社会环境的情况下,大脑可能会出现一种可控的混乱,”王说。

研究人员还发现,与群体和群体饲养的蜜蜂相比,单独饲养的蜜蜂的大脑中有六种不同的基因,其中一些涉及与人类和其他脊椎动物相同的分子机制。

目前,该团队对孤立的大黄蜂社交能力增强的主要假设是,它们从未学会如何不对他人做出反应。

“在一个拥挤的大黄蜂蜂巢中,你需要能够继续做你正在做的事情,这是有道理的,即使旁边有另一只大黄蜂,”物理学研究生格蕾丝·麦肯齐-史密斯(Grace McKenzie-Smith)说。“所以社会发展可能包括学习什么时候不对另一只蜜蜂的存在做出反应。”

这只是一个假设,要真正弄清真相还需要更多的研究。

Kocher说,这项研究也为了解蜜蜂和其他传粉者可能如何受到气候变化的影响开辟了一条道路。

Kocher说:“环境的变化,社会的或其他的,会对行为产生惊人的影响。”“更大的框架将是了解意外的环境变化如何影响行为,以及这如何影响传粉者对气候变化的反应。”

运动测绘软件的辅助

弄清楚如何在一个小小的实验室里分别安置300多只蜜蜂是一个挑战,该团队经历了多次反复的试验和错误,才找到一个可行的设置。他们最终得到了一个结构,研究人员开始称之为蜜蜂酒店。

每只大黄蜂都被安置在自己的私人空间里——一个小盒子,放在一系列堆叠在一起的小盒子里。这种结构使每只蜜蜂或一小群蜜蜂免受其他蜜蜂可能发出的视觉、声音、气味或振动信号的干扰。

Bee in isolation

研究人员将大黄蜂单独放在小盘子里,并在隔离后成对地放在盘子里分析它们的行为。他们在蜜蜂看不见的红外线下观察大黄蜂。

在精心安排了9天的居家假期后,研究小组开始收集所有三类蜜蜂的数据。

他们进行了测试,分析了蜜蜂大脑不同区域的基因表达和物理大小,并将蜜蜂放在培养皿中,监测它们单独和不同配对的行为。

多亏了普林斯顿大学开发的一款名为SLEAP(社交LEAP估计动物姿势)的革命性新姿势跟踪软件,研究人员得以定量分析蜜蜂的行为。

“如果没有SLEAP,我们将不得不手工完成所有的分析,”负责该项目大部分数据分析的麦肯齐-史密斯说。“当你这样做的时候,就会引入很多人类偏见。”

该软件是由普林斯顿大学物理学教授、刘易斯-西格勒综合基因组学研究所教授Joshua Shaevitz和神经科学教授Mala Murthy的团队合作开发的。首先,研究人员将视频输入到该软件要追踪的动物的视频中。然后,它使用人工智能来识别不同的身体部位,并为每个身体部位提供逐帧像素坐标。

在蜜蜂的身体部位被识别后,研究人员使用了一种名为Motion Mapper的软件,这是Shaevitz和Murthy合作开发的早期产品,从蜜蜂身体部位的位置提取动态信息。这项技术不仅能让他们了解蜜蜂四肢的位置,还能了解蜜蜂是如何移动的。

“能够拍摄原始视频,并在以后人工标记不同的身体部位,使得这个工具非常多才多艺,在一个社交的、多动物的环境中,这真的让我们非常兴奋,”王说。

问题的思考

研究人员在使用这种技术时观察到的一个附属行为的例子是,蜜蜂在彼此的头部和身体上摩擦它们的触角,这种活动被称为触角。

科克说:“在蜂群中长大的蜜蜂通常会花很多时间在这种头对头的朝向上。”“这是一个非常重要的化学线索。当它们接触触角时,它们实际上是在来回传递化学信息,所以它们可以知道群体中的其他个体是谁。”

被隔离的蜜蜂,当重新被引入另一个蜜蜂时,比一直被放在社会群体中的蜜蜂更经常地这样做。他们以一种不同寻常的方式,在触摸彼此的方式上有更多的变化。

科克说:“你可以这样想,你来和我握手,但我不是和你握手,而是和你的膝盖握手。”“对于有社会经验的蜜蜂来说,这并不是真正有意义的社会互动。所以我认为这是这项研究得出的一个非常有趣的见解。”

从SLEAP获得的行为数据,以及对蜜蜂基因表达和大脑发育的分析,得出了令人惊讶的答案,并给Kocher留下了大量的问题来思考。

在群居昆虫中,由于隔离而增加的社会互动是常见的吗?这种增长是由于缺乏学习如何回应社会伙伴,还是因为蜜蜂从来没有学会如何避免消极的互动?在发育的九天期间,这些变化是什么时候发生的?这些变化是永久性的吗?他们是可逆吗?

所有这些都是这个项目提出的问题,Kocher认为可能值得进一步探索。

麦肯齐-史密斯说:“我感兴趣的事情之一是做一个类似的实验,不过是在蜂箱里。”“大黄蜂蜂巢有一个复杂的3D结构,这使得成像非常困难,但目前在计算机实验室中使用的一些技术可以解决这个问题。”

据麦肯齐-史密斯说,为了了解大黄蜂的社会行为是如何更自然地发展的,以及它是如何在它们的一生中发展的,这样的项目可能是有价值的。

由王振燕、Grace C. McKenzie-Smith、刘伟杰、Hyo Jin Cho、Talmo Pereira、Zahra Dhanerawala、Joshua W. Shaevitz和Sarah D. Kocher共同完成的题为“隔离干扰了大黄蜂的社会互动和大脑发育的不稳定”的研究发表在《当代生物学》杂志上(第32卷第1期)。12) 2022年5月17日,https://doi.org/10.1016/j.cub.2022.04.066。

这项研究得到了美国国立卫生研究院(NIH) NIH R01 NS10489、U19 NS104648和1DP2GM137424-01、普林斯顿催化计划和刘易斯-西格勒综合基因组学研究所的资助。这项工作也得到了美国国家科学基金会(National Science Foundation)的部分支持,通过生物功能物理中心(PHY-1734030)。

文章旨在传播新闻信息,原文请查看https://www.princeton.edu/news/2022/07/12/bumblebees-kept-isolation-make-it-being-more-social-later