忙しいミツバチの脳が人類の進化について教えてくれること

人間が高次の脳機能や行動についてもっと知りたいなら、昆虫に目を向けるべきだと一部の科学者は考えている。昆虫には、忙しく働くミツバチから社交的な蝶、壁のハエまであらゆるものが含まれる。5月5日にサイエンス・アドバンス誌に発表された研究によると、ミツバチの脳には3つの多様で特殊なケニヨン細胞サブタイプがあり、これらはおそらく単一の多機能ケニヨン細胞サブタイプの祖先から進化したものだ。

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ケニオン細胞 (KC) は、昆虫の脳の一部に見られる神経細胞の一種です。これらの細胞は、特にキノコ体と呼ばれる嗅覚で、学習と記憶に関係しています。これらは、より「原始的な」ハバチからより洗練されたミツバチまで、大型の膜翅目の昆虫に見られます。

「2017年に、私たちは膜翅目の昆虫の行動の多様化に伴って、昆虫の脳にあるキノコ体のケニオン細胞のサブタイプの複雑性が増していることを報告しました」と、共同執筆者で東京大学の大学院生は声明で述べた。「言い換えれば、昆虫のKCサブタイプが多いほど、その脳と示す行動はより複雑になるということです。しかし、私たちはこれらの異なるサブタイプがどのように進化したかを知りませんでした。それがこの新しい研究のきっかけでした。」

この研究では、東京大学と日本の国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構（NARO）の研究チームが、異なる行動の代表として2種の膜翅目昆虫に注目した。より孤独なカブハバチは単一のKCサブタイプを持ち、より複雑でより社会的なミツバチは3つのKCサブタイプを持つ。

ハバチのより「原始的な」脳には、ミツバチの脳の祖先的な特性がいくつか含まれている可能性があると考えられています。これらの潜在的な進化の道を見つけるために、研究チームはトランスクリプトーム解析を使用して、さまざまな KC サブタイプで起こっている遺伝子活動を特定し、その機能を推測しました。

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「ミツバチの3つのKCサブタイプがハバチの単一のKCタイプと同等の類似性を示したことに驚きました」と、共著者で東京大学の生物学者、河野弘樹氏は声明で述べた。「いくつかの遺伝子の初期の比較分析に基づいて、私たちはこれまで、追加のKCサブタイプが1つずつ追加されたと想定していました。しかし、それらは機能的分離と特殊化を通じて、多機能の祖先タイプから分離されたようです。」

KC サブタイプの数が増えるにつれて、それぞれのサブタイプは単一の祖先 KC からいくつかの異なる特性をほぼ均等に継承しました。その後、サブタイプはさまざまな方法で変更され、その結果、現在の昆虫に見られるより多様な機能が生まれました。

先祖の KC 機能がミツバチとハバチの両方にどのように存在するかの具体的な行動例を見るために、研究チームはハバチをミツバチで一般的に使用される行動テストに参加させるように訓練しました。ミツバチ、そして最終的にはハバチは、匂いの刺激と報酬を関連付けることを学びました。当初は困難でしたが、研究チームはハバチにこのタスクに参加させました。

次に研究チームは、ハバチの幼虫でCaMKIIという遺伝子を操作した。ミツバチでは、この遺伝子はKCの機能である長期記憶の形成に関連している。遺伝子操作後、幼虫が成虫になったときに長期記憶が損なわれており、この遺伝子がハバチでも同様の役割を果たしていることを示す兆候が見られた。CaMKIIはハバチでは単一のKCサブタイプ全体で発現していたが、ミツバチでは1つのKCサブタイプで優先的に発現していた。著者らによると、これはミツバチの特定のKCサブタイプにCaMKIIの長期記憶における役割が受け継がれたことを示唆しているという。

昆虫と哺乳類の脳は大きさや複雑さの点で大きく異なりますが、神経系には共通する機能や構造がいくつかあります。昆虫の細胞や行動がどのように進化してきたかを調べることで、私たち自身の脳がどのように進化してきたかについての洞察が得られるかもしれません。次に、研究チームは、ミツバチの悪名高い「尻尾ダンス」などの社会的行動と並行して獲得された KC タイプを研究することに興味を持っています。

「ここで提示したモデルが他の行動の進化にも適用できるかどうかを明らかにしたい」と、共同執筆者で東京大学博士課程の桑原隆義氏は声明で述べた。「昆虫、動物、人間を問わず、社会行動を制御する神経基盤については謎が多い。それがどのように進化してきたのかは、まだほとんどわかっていない。この研究はこの分野における先駆的な研究だと考えている」