《Journal of Comparative Neurology》：Unexpected Evolutionary Divergence of Tachykinin-Positive Neurons Innervating the Central Complex in Hexapods
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本文为读者揭示了昆虫导航中枢“中央复合体”(CX)中一类重要神经调质——速激肽(Tachykinin)相关神经元的演化“密码”。通过比对从双尾虫到果蝇等12目六足动物的免疫组织化学数据，研究者发现，速激肽阳性神经元在不同类群甚至近缘物种间呈现出惊人的细胞类型多样性与分布差异，这与CX结构功能的高度保守性形成鲜明对比。这一发现挑战了“同源神经元”在远缘类群间可直接类比的固有观念，提示导航行为的神经调控机制可能具有显著的物种特异性，为理解复杂行为的神经演化提供了关键新视角。
引言
中央复合体(Central Complex, CX)是昆虫脑中位于中线的一组神经纤维网，在目标导向的定向和导航向量计算中扮演着关键角色。其结构由层状的切线输入神经元和地形组织的柱状输出神经元构成，其解剖组织和功能在昆虫中被认为是高度保守的。除了经典神经递质，CX中也检测到多种神经肽，包括速激肽(Tachykinin, TK)家族的肽类。速激肽是最大的信号肽家族之一，存在于所有主要的两侧对称动物支系中。在昆虫中，速激肽广泛分布于神经系统和肠道，并参与多种功能，包括心肌、输卵管、前后肠的肌动刺激、马氏管分泌的调节、以及在大脑回路（如中央复合体）中的调控作用。此前的研究已表明CX是神经肽表达的“热点”，但多数情况下，CX中含速激肽神经元的细胞身份尚未确定。
为了更详细地分析CX中速激肽表达神经元的分布和潜在演化，本研究使用针对飞蝗(Locusta migratoria)的LomTK-I和LomTK-II抗原制备的抗血清，鉴定了从无翅的双尾虫到苍蝇等多种六足动物CX中的免疫标记神经元。研究共涉及12个目、25个物种。
材料与方法
研究使用了包括双尾虫(Campodea augens)、衣鱼(Thermobia domestica)、蜻蜓目（Platycnemis pennipes, Coenagrion puella, Libellula quadrimaculata）、直翅目（沙漠蝗Schistocerca gregaria、家蟋蟀Acheta domesticus）、竹节虫(Medauroidea extradentata)、蜚蠊目（蟑螂Rhyparobia maderae、螳螂Hierodula membranacea）、半翅目（仰泳蝽Notonecta glauca、盾蝽Graphosoma italicum）、膜翅目（蜜蜂Apis mellifera、德国黄蜂Vespula germanica、常见黄蜂Vespula vulgaris）、鞘翅目（赤拟谷盗Tribolium castaneum、大麦虫Zophobas morio、龙虱Acilius sulcatus, Gyrinus substriatus, Ilybius fuliginosus）、鳞翅目（烟草天蛾Manduca sexta、小地老虎Agrotis ipsilon）以及双翅目（红头丽蝇Calliphora vicina、黑腹果蝇Drosophila melanogaster、大蚊Tipula paludosa）在内的物种。
免疫染色采用过氧化物酶-抗过氧化物酶(PAP)技术对脑切片或使用间接免疫荧光技术对全脑进行。主要使用了两种抗血清：抗LomTK-I抗血清和抗LomTK-II抗血清，其特异性已通过预吸附等对照实验验证。此外，还使用了针对突触素(synapsin)的单克隆抗体来标记突触神经纤维网。数据通过光镜和共聚焦激光扫描显微镜采集并分析，神经元分类主要参考已发表的果蝇和沙漠蝗的CX神经元标准命名体系。
结果
数据显示，LomTK相关肽存在于所有被研究物种（蟋蟀除外）的CX中。在大多数物种中，一种或几种类型的柱状神经元被免疫标记，有时还与某些切线输入神经元子系统共同标记。然而，免疫标记的柱状神经元的类型在不同目的物种间，甚至在某些同一目内的昆虫之间，都存在明显差异。
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双尾虫与衣鱼
在双尾虫C. augens中，约53个位于脑间部的神经元胞体显示LomTK-II免疫阳性，其纤维支配中央体上区(CBU)的9个明确柱状区域，但原脑桥(PB)无标记，提示其为连接CBU与外脑区的CU型柱状神经元。在衣鱼T. domestica中，约33个柱状神经元显示免疫标记，其纤维支配PB和CBU的两个层面，并投射到蘑菇体叶附近的小区域，判断为CPU型神经元。两者均未在中央体下区(CBL)检测到标记。
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蜻蜓目
在三种蜻蜓中，CBU的两个层面显示免疫标记：一个背层(CBU-I)具有大的曲张体标记，一个腹层(CBU-III)呈现致密的细标记。标记集中在10个柱状域内。标记可能源于特定的腹侧桥神经元（可能对应蟑螂的POUv神经元或果蝇的vΔ神经元）。
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直翅目
在沙漠蝗S. gregaria中，CX中表达速激肽的神经元类型非常丰富。至少有三类柱状神经元（CL1b、CU2x/LTC IV、CU2y/LTC III）和两类切线神经元（TB6和TL2）显示LomTK免疫阳性。CL1b神经元支配PB和CBL，并投射到外侧复合体的腹结节(gall)。CU2x和CU2y神经元支配CBU的不同层，并投射到冠(cerepine)。TB6神经元广泛支配PB，而TL2神经元支配外侧球和CBL。相反，在家蟋蟀A. domesticus的整个大脑中均未发现免疫标记，表明其可能缺乏速激肽相关神经肽。
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竹节虫
在竹节虫M. extradentata中，两类神经元被标记：一个由18个CL1c型柱状神经元组成的系统，支配PB和CBL（但缺乏向外侧复合体的投射）；以及一个由7-8对TUVES4型切线神经元组成的系统，支配CBU的背侧层。
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网翅目
在螳螂H. membranacea中，一个由16个CU2型柱状神经元组成的系统被强烈标记，支配CBU的特定柱并投射到可能相当于蟑螂“rubus”的区域。此外，PB的一对TB神经元和支配CBU的一小组TU神经元也呈现较弱的标记。在蟑螂R. maderae中，两类柱状神经元被标记：一个18个CP2型神经元系统，连接PB的柱与腹结节(gall)及周边；以及一个32个CPU5型神经元系统，连接PB与CBU的层以及结节。
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半翅目
在仰泳蝽N. glauca和盾蝽G. italicum中，CBL/椭球体(EB)呈现最强的免疫反应性，源于CL1型柱状神经元系统。这些神经元支配PB和CBL，并投射到腹结节。在半翅目中，CBU也呈现稀疏的标记，可能源于第二类柱状神经元。盾蝽的结节也显示标记，提示CPU4或CPU5神经元可能表达速激肽。
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膜翅目
在研究的三种膜翅目昆虫（黄蜂、蜜蜂）中，CBU和CBL均显示免疫反应性。CBL中的标记源于CL1神经元系统，其支配PB和CBL，并投射到腹结节。这些神经元的连接模式与熊蜂中描述的EPG/PEG神经元一致。PB呈现弱颗粒状标记，结节无标记。
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鞘翅目
在赤拟谷盗T. castaneum和大麦虫Z. morio（拟步甲科）中，CPU柱状神经元系统显示密集的免疫标记，支配PB和CBU，并投射到外侧复合体的小区域。在三种龙虱（潜水甲虫）中，标记模式显著不同：CBL被免疫标记的神经元强烈支配，标记集中在柱间的边界。这些神经元可能具有双侧的PB分支，并投射到外侧复合体区域。CBU也显示层特异性标记，可能源于桥神经元。
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鳞翅目
在天蛾M. sexta和地老虎A. ipsilon中，中央体的特定层显示LomTK免疫标记，但标记神经元的细胞起源未能确定。在天蛾中，CBU的两个窄层被标记；在地老虎中，CBL的一个中间层和CBU的两个层被标记。两者PB和结节均无标记。
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双翅目
在研究的三种蝇类（丽蝇、果蝇、大蚊）中，CX的特定层（扇状体，即CBU）被免疫标记，而椭球体(EB/CBL)、结节和PB无标记。标记源于两类切线神经元：LPP1神经元（胞体在后外侧原脑）支配FB的腹侧第2层；TC1神经元（胞体在vest附近）支配FB的中间第4和第6层。这些神经元分别对应果蝇中的FB2E–FB2J/FB2M神经元和FB4A/FB4D及FB6N/FB6O/FB6P神经元。
讨论与总结
本研究表明，与LomTK-I和LomTK-II相关的肽存在于除蟋蟀外所有被研究六足动物的CX中。然而，表达这些肽的神经元类型在物种间表现出高度的进化分歧。这种差异不仅存在于远缘目之间（如双尾虫与苍蝇），甚至存在于近缘类群内（如鞘翅目内的拟步甲科与龙虱科）。被标记的神经元主要包括支配CX上区(CBU)或下区(CBL)的柱状神经元，以及在某些类群中出现的切线输入神经元。
研究结果强调了在比较不同昆虫类群（甚至同一目内）的“同源”CX神经元时需要格外谨慎。速激肽阳性神经元的高度进化可塑性可能与其在不同物种中所调控的导航行为的具体需求差异有关。CX虽然在结构和功能上总体保守，但其内部神经调质系统的具体构成和布线方式可能为了适应特定的生态和行为需求而发生了显著的特化。这项研究为未来在多种昆虫模型中进行CX神经肽功能的比较研究奠定了基础，有助于更深入地理解复杂行为神经回路的演化机制。
