《Journal of Comparative Neurology》：The Mechanosensory Subgenual Organ Complex in the Stick Insect Bacillus rossius (Phasmatodea): Neuroanatomy and Functional Morphology
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本文深入探讨了竹节虫（Bacillus rossius）胫下器复合体（SGO）的精细结构与功能，通过轴突追踪（axonal tracing）和显微计算机断层扫描（micro-CT）技术，揭示了其包含胫下器（SGO）和远端器（DO）的复杂神经解剖学特征。研究发现该复合体位于血淋巴通道（hemolymph channel）中，远端器通过多种附着结构与胫骨角质层、气管相连，提示其可能分别接收通过角质层传递的振动和通过血淋巴传递的振动。文章首次详细描述了B. rossius的胫下器复合体神经模式，确认了其胫下器由单一神经分支（T12）支配，远端器长度约500微米，感官单元（sensilla）数量稳定，支持了竹节虫内部该感觉复合体结构保守的观点，为研究昆虫机械感受的进化提供了重要形态学依据。
引言
竹节虫（Phasmatodea）是研究神经生理学、运动及其感觉调节的重要模型物种。其中，Bacillus rossius 是研究孤雌生殖进化的重要实验模型。昆虫腿中的胫下器复合体是一个精细的机械感受复合体，包含弦音器（chordotonal organs）。在竹节虫中，它包括胫下器（subgenual organ, SGO）和远端器（distal organ, DO）。本研究旨在通过轴突追踪和显微计算机断层扫描（micro-computed tomography, μCT）记录 B. rossius 胫下器复合体的神经解剖学和功能形态学，特别关注比较和进化神经生物学感兴趣的特征，包括复合体的整体组织、感觉神经的起源、胫下器的神经模式、远端器的组织和大小，以及远端器与角质层和腿气管的连接。
材料与方法
研究以成年雌性 B. rossius 为对象。感觉器官通过逆行轴突追踪（retrograde axonal tracing）用钴溶液（cobalt solution）染色。分离的腿被固定，切开股骨腹侧角质层，暴露并切断主要腿神经（nervus cruris），将切断端浸入钴溶液中孵育。钴沉淀后，腿被固定、脱水、清除，用于显微镜观察。同时，使用μCT对中腿进行扫描，以分析感觉复合体的功能形态。通过显微镜和图像处理软件对神经模式和形态结构进行记录和测量。统计分析包括感官单元数量和远端器长度的比较，以及神经模式比例的检验。
结果
胫下器复合体的神经解剖学
B. rossius 的胫下器复合体由胫下器（SGO）和远端器（DO）组成。SGO在胫骨中呈背腹方向伸展，DO向胫骨远端延伸。SGO中有一个密集的感觉单元群称为前腹侧胫下器（anterior-ventral subgenual organ, avSGO）。SGO和DO的感觉神经元树突和辅助细胞朝向胫骨远端。复合体的整体组织和神经模式在所有腿对中一致。SGO包含39-47个感官单元，DO包含25-31个感官单元，不同腿对间无显著差异。DO长度在452.4微米至626.2微米之间，腿对间无显著差异。
胫骨的感觉元件与 nervus cruris 的几个分支相关。胫下器复合体与胫骨第一神经分支（T1）相关联，T1再分出两个次要分支：T12支配SGO，T13支配DO。因此，T1是与复合体中弦音器相关的唯一神经分支，它在股骨-胫骨关节处或近端胫骨从 nervus cruris 分出。SGO的后部感官单元没有独立的神经分支支配。其他神经分支（T11, T21-T23）供应近端胫骨的钟形感器（campaniform sensilla）和毛形感器。
神经模式的变异
感觉器官的神经模式在个体和腿对间高度一致。绝大多数情况下，每个感觉器官（SGO和DO）都与T1的一个神经分支（分别为T12和T13）相关联。仅在少数制备中观察到变异：两个制备中SGO有两条神经分支（占49条腿的4.08%），三个制备中DO有两条神经分支（占6.12%）。SGO和DO的变异比例无显著差异。
胫下器复合体的功能形态学
功能形态学涉及感觉器官的结构组织、方向和连接。两个感觉器官都位于血淋巴通道（hemolymph channel）中，在两条胫骨气管（tibial tracheae）的背侧。SGO在胫骨背侧略微向近端倾斜。SGO的感觉单元终止于包含辅助细胞的组织中，该组织跨越血淋巴通道，表面呈层状。SGO在胫骨后部与内部角质层有牢固的连接。
DO的辅助细胞彼此平行排列，形成紧凑的器官结构。DO在近端通过组织束与背侧角质层连接，连接点位于背侧6B钟形感器水平。此外，从DO背侧有组织束伸向背侧角质层。在DO长度方向上，其后侧和前侧有细组织束分别与后腿角质层和背侧角质层相连。这些束与近端的背侧束不连续。在远端，DO通过细组织束与背侧角质层连接，但其远端尖端位于血淋巴中，没有明显的附着结构。因此，DO沿其长度有多个与角质层的附着元件，但它位于血淋巴通道中，感官单元不直接附着在腿角质层内表面。
DO位于胫骨两条气管的背侧。在其近端，与气管之间存在间隙。在该水平，DO与角质层之间的组织束也与后气管（较小的气管）相连，这提供了DO与气管的间接连接。在DO中央区域，器官在其背侧与前气管连接。在更远端，DO向背侧移位，但与前气管的组织连接持续存在。在其远端区域，DO位于前气管背侧，没有显示出与气管的明确连接。因此，DO与气管的连接发生在其近端和中央部分，但大多是通过结缔组织间接连接，而非直接接触。
SGO组织向远端延伸，并通过一层薄膜与DO相连。横切面显示，这层薄膜位于器官之间，处于前后侧的横向水平面上。
讨论
B. rossius 胫下器复合体的神经解剖学及与Oyen（1901）研究的比较
B. rossius 的胫下器复合体由SGO和DO组成，这与基于竹节虫及其他直翅类昆虫同源性鉴定的感觉器官一致。其整体神经解剖学组织与其他竹节虫相似。轴突追踪分析允许与Oyen早期的组织学研究进行详细比较。
神经模式显示，与复合体中弦音器相关的神经分支（T12和T13）是同源的。感觉神经分支T1起源于股骨-胫骨关节或近端胫骨，并未在股骨中部发现，这与所有其他已研究的竹节虫一致。
关于SGO的神经模式，本研究发现SGO的后部感官单元并非由T22支配，T22仅供应后部6B钟形感器。这种SGO由单一神经分支（T12）支配的较简单模式，也存在于新大陆竹节虫（Occidophasmata）和异翅竹节虫科（Heteropterygidae）等旧大陆竹节虫（Oriophasmata）类群中。这表明具有两条神经分支的模式可能仅限于旧大陆竹节虫中的某些类群，可能是从较简单的单一神经分支模式衍生的。
关于DO的神经解剖学，轴突追踪显示其向远端的延伸比SGO长，具有线性排列的感官单元，感官单元数量略高于其他一些竹节虫物种（如C. morosus）。DO的感官单元数量可能是竹节虫物种特异性的。
总之，B. rossius 的胫下器复合体神经解剖学与其他竹节虫相似，这些比较发现也暗示了竹节虫中保守的机械感觉功能。
神经模式的变异
B. rossius 感觉器官的神经模式高度一致。DO的变异程度略高于SGO。这种神经解剖学变异可能源于胚胎发育过程中轴突路径寻找（axonal pathfinding）的差异，其分子基础可能涉及与直翅目类似的神经突导向的吸引和排斥分子机制。
B. rossius 远端器的功能形态学
对于机械感受器，通过特定的机械耦合将机械刺激传递到感官单元的功能形态决定了其生理功能。DO沿胫骨主轴延伸，显示出与腿角质层的不同附着，但并未紧密固定。近端最大的组织束通向背侧角质层，更远端部分有通向背侧和后侧角质层的束，这些束较细，最远端部分不与角质层连接。这些束可能将DO定位在血淋巴通道内，或提供从角质层到DO感官单元的振动传递的功能耦合。由于束较细，DO接收机械刺激的主要途径可能来自血淋巴。
关于DO与腿气管的连接，研究发现DO在其近端和中央部分通过结缔组织与后气管和前气管相连，但并非在整个长度上都紧密耦合。这种连接可能与放大底物振动有关。然而，感官单元并未紧密连接到如螽斯听觉系统中存在的膨大气管上。B. rossius 的气管分支没有显示出进一步的特化，如可能通过提供可压缩空间来放大底物振动的气管囊（tracheal vesicles）。
SGO包含的感觉单元树突平行向远端延伸。其与腿角质层的最强连接在胫骨后部，这与其它昆虫类似。SGO几乎横向跨越血淋巴通道，因此暴露于血淋巴运动中。两个感觉器官之间通过薄膜连接，这似乎是竹节虫独有的特征，被认为在响应机械刺激时提供功能耦合。这些感觉器官的生物力学特性取决于其在腿中的位置、通过血淋巴和角质层传递的振动、附着的特性以及感官单元辅助细胞的性质。器官间的薄膜连接和与角质层的束预计决定了DO的位移和潜在的振动输入。
结论
本研究记录了竹节虫 B. rossius 胫下器复合体的神经解剖学和功能形态学。感觉器官的整体解剖结构与其它竹节虫一致。精细的神经解剖学表明其适应机械感受的功能，DO可能主要通过血淋巴接收底物振动，其功能形态学也提示可能从前胫骨气管接收输入。竹节虫神经元结构的多样化涉及感觉器官中感官单元的数量和SGO的神经模式。SGO的神经模式可以在叶?科（Phylliidae）、非洲/马拉加西支系和物种丰富的Lanceocercata（旧大陆竹节虫）等类群中进行进一步分析。这些数据可以纳入基于系统发育的比较中。目前研究的竹节虫物种相对较少，更广泛的类群取样将有助于将神经解剖学特征与系统发育关系相匹配，并可能支持竹节虫和叶?不同支系之间的亲缘关系。
