多巴胺（dopamine, DA），化学名称为 4-（2-乙胺基）苯-1,2-二醇，是神经系统中一种重要的儿茶酚胺类神经递质。作为演化上高度保守的神经调控分子，多巴胺不仅广泛存在于脊椎动物的基底神经节、中脑边缘系统等关键脑区，也在无脊椎动物的神经系统中发挥着重要调控功能。这种看似简单的化学分子，通过精巧的神经环路，协调着从基础运动到复杂社会行为的各类生命活动。

在蚂蚁、蜜蜂等社会性昆虫中，多巴胺系统展现出惊人的功能多样性。虽然已有研究表明多巴胺水平与特定行为存在关联，如蚁后繁殖期多巴胺浓度升高，工蚁觅食时多巴胺通路被激活，但人们对这些现象背后的神经机制仍知之甚少。特别是不同社会等级个体间，多巴胺神经元在数量、分布和功能上的精细差异，以及这些差异如何精确调控复杂的社会行为，仍然是亟待破解的科学谜题。

社会性昆虫严格的社会分工为研究多巴胺系统在行为调控中的功能提供了理想模型。在蚂蚁中，工蚁（worker）作为"终身劳动者"，负责巢穴维护、育幼和觅食等全部日常工作；处女繁殖蚁（gyne）短暂地存在于巢穴中，在完成一生一次的交配后转变为蚁后；蚁后(queen)在巢穴中“深居简出”专注产卵；雄蚁（male）则如同"飞行精子库"，在完成交配使命后不久死亡（图1）。这种极端的等级分化现象背后，究竟隐藏着怎样的多巴胺调控机制？不同等级个体的多巴胺神经元是否存在本质差异？这些差异又如何决定其截然不同的行为模式和生理特征？解答这些问题，不仅有助于揭示社会性昆虫的演化奥秘，更能为理解神经递质调控社会行为的普遍规律提供新的视角。

图1 蚂蚁的品级分化

蚂蚁大脑多巴胺能神经元群体图景

本研究以法老蚁（Monomorium pharaonis）为模式，从解剖特征和单细胞转录组两个方面系统地呈现了法老蚁大脑中多巴胺能神经元的空间分布和基因表达特征。我们通过酪氨酸羟化酶（tyrosine hydroxylase，TH）抗体对蚂蚁大脑进行免疫染色，绘制了多巴胺能神经元的分布“地图”，并根据分布位置这一“外部形象”将其划分为不同的神经元解剖亚类群。进一步地，通过单细胞转录组分析，我们利用分子标记更加形象地展现了多巴胺能神经元的“内在特征”。有趣的是，我们发现同一分子标记基因会表达在不同的解剖亚类群中，同一解剖亚类群也可以表达多个标记基因，这说明了多巴胺能神经元存在显著的异质性。

多巴胺能神经元的扩张与分化

在系统解析蚂蚁多巴胺能神经元整体特征的基础上，我们进一步对不同解剖亚类群进行了深入的比较分析。研究发现，法老蚁大脑中的多巴胺能神经元总数显著多于果蝇（Drosophila melanogaster），其中PPL1和PPL3亚类群的神经元数量增加尤为明显。值得注意的是，在果蝇中，PPL1/3神经元主要投射至蘑菇体（mushroom body）——这一脑区在昆虫学习记忆等高级认知功能中发挥关键作用。结合前人研究显示社会性昆虫的蘑菇体相较于果蝇存在显著扩张，我们推测法老蚁中这些显著增多的多巴胺能神经元可能与其复杂的社会行为密切相关，可能为蚂蚁处理社会互动、信息交流、分工协作等高级认知功能提供了神经基础。

多巴胺能神经元数量的变化不仅可能驱动了昆虫从独居到群居生活方式的转变，更可能是蚂蚁种内不同等级个体表现出行为特化的神经基础。通过对法老蚁不同社会等级个体的系统比较，我们发现多巴胺能神经元的数量存在显著的三重分化模式：（1）性别分化（female vs.male）；（2）生殖等级分化（gyne vs.worker）；（3）生殖角色分化（gyne vs.queen）。这种多层次的数量差异可能构成了蚁群社会分工的神经调控基础。更重要的是，我们鉴定出数个在等级间呈现显著数量差异的特异性神经元亚群，这些亚群很可能直接参与调控与蚁群中不同社会角色相关的行为分化。

视觉-交配神经通路的等级分化

在等级间存在神经元数目差异的解剖亚类群中，我们重点关注了PPL2这簇亚类群。我们发现PPL2亚类群可细分为神经元PPL2a和PPL2b，后者只存在于具有交配能力的处女繁殖蚁和雄蚁中，且其位置靠近Nlg2的表达区域（与视觉目标诱导的求偶行为相关的脑区）（图2）。

图2 PPL2b（星号）神经元靠近Nlg2（green）的表达区域

我们推测PPL2b可能将来自于Nlg2脑区的视觉信号传递到高阶脑区来影响交配行为。进一步观察发现，蚁后大脑中的PPL2b神经元可能在交配完成后发生程序性凋亡，而在完全不具交配能力的工蚁中，该亚群则可能在发育过程中就完全缺失。这一发现暗示，PPL2b神经元的存续状态与个体的生殖潜能密切相关，可能构成蚂蚁社会生殖分化的关键神经调控机制之一。

本研究系统地描述和比较了蚂蚁大脑中的多巴胺能神经元，并提供了进一步区分多巴胺能神经元异质性的分子标记。该研究结果为进一步研究蚂蚁劳动分工和等级特异性行为的神经机制奠定了基础。

图3 多巴胺系统在法老蚁大脑中的描述和比较

2025年6月27日，本研究成果以“The role of dopaminergic neuronal clusters in governing division of labor in ants.”为题，在线发表于《昆虫科学》（Insect Science）。中国科学院大学/ 的博士研究生钟文江为本文的第一作者， 的刘薇薇副研究员和浙江大学生命演化研究中心的张国捷教授为论文的共同通讯作者， 的生物技术员赵洁和实验室顾问冉浩，深圳华大生命科学研究院的博士研究生谢念夏、张霈博士和李启业研究员，以及浙江大学博士后丁果参与了部分工作。该项研究工作受到国家自然科学基金委（32388102，32170631）和云南省科技厅（202201AT070129，202401BC070017）的共同资助。

原文链接：https://doi.org/10.1111/1744-7917.70087