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La complessità del cervello delle formiche è stata dimostrata per la prima volta a livello cellulare utilizzando la tecnologia unicellulare

Riepilogo: Utilizzando la tecnologia unicellulare, i ricercatori stanno scoprendo come la divisione sociale del lavoro in una colonia di formiche si riflette nella specializzazione funzionale del cervello delle formiche a livello cellulare.

Fonte: gruppo BGI

Ricercatori internazionali guidati da BGI Research dalla Cina hanno utilizzato la tecnologia unicellulare per studiare il cervello delle formiche e hanno spiegato per la prima volta come la divisione sociale del lavoro all’interno delle colonie di formiche si riflette nella specializzazione funzionale del loro cervello a livello cellulare.

In uno studio pubblicato su Nature Ecology and Evolution, “Un trascrittomatlas a cellula singola che traccia le basi neurali della divisione del lavoro in un superorganismo formica”, scienziati di BGI Research, BGI Group, Kunming Institute of Zoology, Chinese Academy of Sciences, The University di Copenaghen e altri hanno applicato la piattaforma della libreria unicellulare DNBeLab di BGI per ottenere più di 200.000 trascrittomi a nucleo singolo dal cervello delle formiche faraone e hanno generato una mappa del trascrittoma unicellulare che copre tutti i fenotipi adulti di questa specie di formiche: lavoratore, maschio, gine ( regine vergini) e regine.

Le formiche sono uno degli organismi più prosperi sulla terra, esistendo da più di 140 milioni di anni. Si stima che la biomassa (determinata moltiplicando una popolazione stimata per il peso medio dei suoi membri) delle formiche sia simile a quella degli esseri umani. Il successo delle formiche è generalmente attribuito al loro notevole comportamento sociale con una chiara divisione riproduttiva del lavoro.

Le colonie di formiche sono concepite come superorganismi da più di un secolo. Utilizzando la tecnologia a cellula singola, gli scienziati sono stati ora in grado di determinare sistematicamente la complessità cellulare nel cervello di una formica e valutare la differenza nella composizione delle cellule cerebrali tra individui nella stessa colonia.

“I nostri risultati indicano che la specializzazione funzionale del loro cervello sembra essere un meccanismo alla base della condivisione dei compiti sociali tra le singole formiche”, afferma il dott. Qiye Li, primo autore dell’articolo e ricercatore presso BGI-Research. “Noi umani impariamo e ci alleniamo a svolgere lavori diversi mentre le formiche nascono con un ruolo specifico nella loro colonia”.

Il team di ricerca ha scoperto che i cervelli delle formiche operaie e delle formiche maschi sono estremamente specializzati e altamente complementari. I neuroni responsabili dell’apprendimento e della memoria nonché dell’elaborazione delle informazioni olfattive sono particolarmente abbondanti nei lavoratori, mentre la frequenza delle cellule del lobo ottico responsabili dell’elaborazione delle informazioni visive è molto bassa. Questa tendenza è invertita nei cervelli delle formiche maschili, dove c’è un’abbondanza di cellule del lobo ottico ma meno neuroni per l’elaborazione olfattiva, l’apprendimento e la memoria.

“Questi risultati supportano le nostre osservazioni in laboratorio secondo cui i lavoratori delle formiche faraone sono responsabili di tutte le attività di manutenzione della colonia che richiedono cervelli multiuso, mentre i maschi non partecipano ad alcuna attività di manutenzione della colonia, poiché la loro unica funzione è trovare e fertilizzare una regina vergine”, ha affermato il dottor Weiwei Liu, ricercatore presso il Kunming Institute of Zoology, Chinese Academy of Sciences e coautore della pubblicazione.

L’analisi ha anche identificato cambiamenti significativi nel cervello di Gynes quando si sono trasformati in regine dopo l’accoppiamento. Ad esempio, quando le regine si sono adattate all’oscurità del nido, l’abbondanza di cellule del lobo ottico è diminuita, mentre i neuroni dopaminergici e le cellule gliali avvolgenti sono aumentate, il che potrebbe spiegare la fertilità e la longevità della regina.

“Questo è il primo atlante unicellulare che copre tutti i ruoli sociali in una colonia di formiche. Le sue prestazioni beneficiano dello sviluppo di una tecnologia di profilatura a cella singola massicciamente parallela con elevata sensibilità e precisione a basso costo”, ha affermato il dott. Chuanyu Liu, co-autore e ricercatore presso BGI-Research.

Confrontando le cellule cerebrali del faraone formica e Drosofila I ricercatori hanno anche trovato molti tipi cellulari conservati nel cervello dei moscerini della frutta. Ad esempio, una popolazione di cellule del lobo ottico in Drosofila responsabile della percezione dei movimenti degli oggetti durante il corteggiamento si verifica anche nelle formiche ed è particolarmente comune nei maschi.

Questo mostra una formica su una foglia
Le formiche sono uno degli organismi più prosperi sulla terra, esistendo da più di 140 milioni di anni. L’immagine è di pubblico dominio

La firma molecolare e la posizione spaziale di queste cellule sono molto simili nei due insetti lontanamente imparentati, suggerendo che queste cellule probabilmente svolgono un ruolo conservato nella regolazione del comportamento di accoppiamento maschile negli insetti indipendentemente dalla socialità.

“Questo studio ci aiuta a capire la complessità del cervello delle formiche e come la specializzazione cerebrale complementare consente alle formiche all’interno di una colonia di funzionare come un superorganismo”, ha affermato la prof.ssa Guojie Zhang, co-autore corrispondente dell’Evolutionary & Organismal Biology Research Center, School of Medicine , Università di Zhejiang.

“I cervelli di diverse caste e sessi sono specializzati in diverse direzioni e si completano a vicenda, consentendo all’intera colonia di formiche di svolgere una gamma completa di funzioni, tra cui la riproduzione, l’allevamento della covata, il foraggiamento e la difesa.

“Questa strategia di vita super-organica ha permesso alle formiche di prosperare in modo competitivo per oltre 140 milioni di anni, diventando alla fine un gruppo di animali altamente dominante sulla Terra”.

Per questa ricerca è stata ottenuta l’approvazione etica.

A proposito di questa notizia dalla ricerca neuroscientifica

Autore: Riccardo Li
Fonte: gruppo BGI
Contatto: Richard Li – Gruppo BGI
Immagine: L’immagine è di pubblico dominio

Ricerca originale: Accesso libero.
“Un atlante trascrittomico unicellulare che traccia le basi neurali della divisione del lavoro in un superorganismo di formiche” di Qiye Li et al. ecologia ed evoluzione naturale

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Le colonie di formiche con divisione permanente del lavoro tra caste e ruoli sessuali forti sono state concettualizzate come superorganismi, ma i meccanismi cellulari e molecolari che mediano la specializzazione comportamentale di casta/sesso sono rimasti oscuri.

Qui abbiamo caratterizzato il repertorio di cellule cerebrali di regine, ginestre (regine vergini), operaie e maschi Monomorium Faraone ottenendo 206.367 trascrittomi nucleari singoli.

In contrasto con Drosofilale cellule Kenyon del corpo fungino sono abbondanti e molto diverse nelle formiche, con la maggior parte dei sottotipi arricchiti nei cervelli lavoratori, la casta derivata dall’evoluzione.

I cervelli maschili sono specializzati quanto i cervelli operai, ma con tendenze opposte nella composizione cellulare con frequenze più alte di tutti i sottotipi neuronali del lobo visivo, mentre la composizione dei cervelli Gyne e Queen è rimasta generalizzata e ricorda gli antenati solitari.

La differenziazione dei ruoli da ginestre vergini a regine fecondate si traduce in cambiamenti nell’abbondanza in circa il 35% dei tipi cellulari, suggerendo una neurogenesi attiva e/o una morte cellulare programmata durante questa transizione.

Abbiamo anche identificato i cambiamenti cellulari indotti dalla fecondazione probabilmente correlati alla longevità e alla fertilità della casta riproduttiva, incluso un aumento delle cellule gliali avvolgenti e una popolazione regolata dalla dopamina Dh31-esprimere i neuroni.

Concludiamo che la differenziazione permanente delle caste e l’estrema differenziazione del sesso hanno prodotto grandi cambiamenti nei circuiti neurali delle formiche.

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