Ricercatori della Rockefeller University hanno sviluppato le prime formiche transgeniche al mondo, che sono state allevate con neuroni sensoriali olfattivi che lampeggiano di verde in risposta agli odoranti.
Le formiche si muovono nel loro mondo riccamente aromatico usando una serie di recettori degli odori e segnali chimici chiamati feromoni.
Che si tratti di foraggiare o difendere il nido, accoppiarsi o prendersi cura dei loro piccoli, le formiche inviano e ricevono segnali chimici per tutta la vita.
L’importanza di questo sistema è sottolineata da quanto sia ben equipaggiato il cervello delle formiche per elaborare l’abbondanza di profumi: il centro di elaborazione olfattiva nel cervello della formica ha 10 volte più suddivisioni dei moscerini della frutta, ad esempio, anche se i loro cervelli hanno circa le stesse dimensioni.
Eppure il modo in cui il sistema olfattivo delle formiche codifica i dati olfattivi è rimasto in gran parte sconosciuto.
Per sfatare il mistero, i ricercatori della Rockefeller University hanno sviluppato le prime formiche transgeniche al mondo, che sono state allevate con neuroni sensoriali olfattivi che lampeggiano di verde in risposta agli odoranti. Hanno pubblicato i loro risultati su Cell.
Contrariamente ai risultati precedenti, lo studio ha rilevato che solo alcune aree specifiche del sistema olfattivo si illuminano in risposta ai feromoni di allarme, segnali di pericolo che suscitano panico ed evacuazione del nido.
I risultati sollevano domande su come le informazioni sensoriali vengono elaborate nel cervello delle formiche, oltre a possibilità allettanti di rivelare cosa stanno facendo centinaia di altri recettori odoranti.
“Gli strumenti neurogenetici hanno rivoluzionato il campo della neuroscienza del moscerino della frutta negli ultimi decenni, mentre la neuroscienza degli insetti sociali è rimasta essenzialmente bloccata”, afferma Daniel Kronauer di Rockefeller, capo del Laboratorio di evoluzione sociale e comportamento.
“Le nostre scoperte tecniche ora ci permettono finalmente di applicare questi potenti strumenti nelle formiche per studiare il loro comportamento sociale”.
Un mondo di odori
Nel 1958, E. O. Wilson riferì che una secrezione dalla ghiandola mandibolare delle formiche mietitrici innescava i loro compagni di nido per accelerare il loro ritmo e adottare comportamenti di difesa della colonia. Ha chiamato questa risposta “comportamento di allarme”.
Da allora, gli scienziati hanno documentato che il comportamento di allarme e molte altre attività sociali complesse nelle colonie di formiche sono regolate da una vasta gamma di feromoni.
I recettori olfattivi delle formiche si trovano sui neuroni nelle loro antenne, che inviano il loro input ai centri cerebrali chiamati lobi antennali.
I lobi antennali sono costituiti da strutture specializzate chiamate glomeruli che sono essenziali per l’elaborazione dell’odore.
Alcune formiche hanno più di 500 glomeruli, una taglia che si pensa sia correlata alla loro maggiore capacità di percepire e discriminare tra i feromoni.
Precedenti lavori del laboratorio di Kronauer hanno dimostrato che le formiche i cui recettori odoranti sono stati eliminati non possono rispondere ai segnali dei feromoni.
In questo studio, i ricercatori hanno creato i loro soggetti transgenici iniettando le uova di formiche raider clonali – una specie senza regina composta interamente da lavoratrici cieche – con materiale genetico che codifica la proteina sintetica GCaMP, che si illumina di verde neon quando i livelli di calcio cambiano durante l’attività cellulare.
“Il nostro obiettivo era quello di ottenere GCaMP espresso solo in un singolo tipo di cellula, i neuroni sensoriali olfattivi”, afferma l’autore principale Taylor Hart, ricercatore nel laboratorio di Daniel Kronauer.
Questo era importante perché il lobo antennale è composto da più tipi di cellule: neuroni sensoriali, neuroni di proiezione che trasportano dati sensoriali ad altre parti del cervello e interneuroni laterali che collegano tutto insieme.
“Questi altri tipi di cellule possono rendere scarso il rapporto segnale-rumore, perché possono svolgere altre attività, come calcoli, elaborazione di informazioni e segnali modulanti”, afferma Hart. Tutto ciò può oscurare ciò che i neuroni olfattivi stanno facendo.
Trovare il pulsante antipanico
Mentre allevava con successo un piccolo gruppo di formiche con espressione GCaMP nei neuroni sensoriali olfattivi, il team ha anche sviluppato una sofisticata tecnica di imaging che ha permesso loro di registrare per la prima volta l’attività neurale attraverso l’intero lobo antennale delle formiche vive.
I ricercatori hanno deciso di concentrarsi sui feromoni di allarme, perché sono particolarmente volatili e suscitano risposte comportamentali forti e robuste.
Hanno scoperto che le formiche adulte che hanno rilevato i profumi si sono immediatamente affrettate a raccogliere quante più uova possibile nelle loro mandibole e poi hanno fatto una pausa, fuggendo in una sezione adiacente della camera di prova.
Hart e il suo team hanno quindi utilizzato le loro nuove tecniche per monitorare i livelli di fluorescenza GCaMP nei lobi antennali di 22 formiche transgeniche mentre le esponevano a una serie di odori, compresi i feromoni di allarme (che odorano fruttati al naso umano).
I lampi verdi si raggruppano in sei glomeruli in una regione, suggerendo che quell’area può agire come pulsante di panico del cervello.
“Ci aspettavamo che gran parte del lobo antennale mostrasse una sorta di risposta a questi feromoni di allarme”, dice Hart. “Invece, abbiamo visto che le risposte erano estremamente localizzate. La maggior parte del lobo antennale non rispondeva affatto”.
Hart dice che i risultati rivelano dettagli su come il cervello della formica elabora gli input sensoriali. I ricercatori si sono chiesti se l’attività sia privatizzata, con ogni glomerulo che risponde solo a uno o pochi stimoli specifici, o distribuita, con combinazioni uniche di glomeruli attivati da uno stimolo.
Un cervello con più di 500 glomeruli che operasse in modo distribuito, con centinaia di sensori che sparano contemporaneamente, avrebbe bisogno di una straordinaria potenza computazionale quando si tratta di elaborazione sensoriale, dice Hart.
“La maggior parte degli odori che abbiamo testato ha attivato solo una piccola parte dei glomeruli totali”.
Strumenti per il futuro
Considerando che solo sei glomeruli hanno risposto su 500, Hart si chiede: “A cosa servono tutti questi diversi glomeruli? Il moscerino della frutta se la cava con solo 50”.
Ora sarà più facile scoprire perché le formiche hanno un maggiore bisogno di differenziare gli stimoli olfattivi rispetto ad altri insetti, dice Kronauer, e non solo perché da allora Hart ha allevato centinaia di formiche transgeniche che differiscono dalle loro controparti selvatiche solo nella loro capacità di segnalare in fluorescenza, fornendo un pool robusto per la ricerca futura.
“Gli strumenti sviluppati da Taylor aprono una vasta gamma di domande che fino ad ora erano inaccessibili a noi”, afferma.
“Queste includono l’associazione di glomeruli specifici con la varietà di feromoni che le formiche usano per cose come razzie, reclutamento e distinzione tra compagni di nido e estranei.
“Ci sono anche interessanti domande sullo sviluppo su come viene assemblato il sistema olfattivo delle formiche, perché è così complesso. Le larve hanno anche neuroni sensoriali olfattivi, quindi ora possiamo osservare le loro capacità sensoriali”.
Foto: Laboratory of Social Evolution and Behavior at The Rockefeller University
