Insekts hjerner smelter og omtråder under metamorfose | Quanta Magasinet

På varme sommernætter flagrer grønne snørevinger rundt om lyse lanterner i baghaver og på campingpladser. Insekterne, med deres slørlignende vinger, bliver let distraheret fra deres naturlige optagethed af at nippe til blomsternektar, undgå rovflagermus og formere sig. Små kløer af de æg, de lægger, hænger fra lange stilke på undersiden af ​​blade og svajer som eventyrlys i vinden.

De dinglende ensembler af æg er smukke, men også praktiske: De forhindrer de udklækkende larver fra straks at spise deres uklækkede søskende. Med segllignende kæber, der gennemborer deres bytte og suger dem tørre, er snørelarver "ondskabsfulde", sagde James Truman, professor emeritus i udvikling, celle- og molekylærbiologi ved University of Washington. "Det er ligesom 'Skønheden og Udyret' i ét dyr."

Denne Jekyll-and-Hyde dikotomi er muliggjort af metamorfose, det fænomen, der er bedst kendt for at omdanne larver til sommerfugle. I sin mest ekstreme version, fuldstændig metamorfose, ser de unge og voksne former ud og fungerer som helt forskellige arter. Metamorfose er ikke en undtagelse i dyreriget; det er næsten en regel. Mere end 80% af de kendte dyrearter i dag, hovedsageligt insekter, padder og marine hvirvelløse dyr, gennemgår en form for metamorfose eller har komplekse, flertrins livscyklusser.

Metamorfoseprocessen byder på mange mysterier, men nogle af de mest forvirrende er centreret om nervesystemet. I centrum for dette fænomen er hjernen, som skal kode for ikke én, men flere forskellige identiteter. Livet for et flyvende, magesøgende insekt er trods alt meget forskelligt fra livet for en sulten larve. I det sidste halve århundrede har forskere undersøgt spørgsmålet om, hvordan et netværk af neuroner, der koder for én identitet - den for en sulten larve eller en morderisk snørelarve - skifter til at kode for en voksen identitet, der omfatter et helt andet sæt adfærd og behov .

Truman og hans team har nu erfaret, hvor meget metamorfose omroker dele af hjernen. I en nylig undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet eLIFE, sporede de snesevis af neuroner i hjernen på frugtfluer, der gennemgår metamorfose. De fandt ud af, at i modsætning til den forpinte hovedperson i Franz Kafkas novelle "The Metamorphosis", som vågner en dag som et monstrøst insekt, kan voksne insekter sandsynligvis ikke huske meget af deres larveliv. Selvom mange af larverneuronerne i undersøgelsen holdt ud, blev den del af insekthjernen, som Trumans gruppe undersøgte, dramatisk omkoblet. Denne overhaling af neurale forbindelser afspejlede et tilsvarende dramatisk skift i insekternes adfærd, da de skiftede fra kravlende, sultne larver til flyvende, magesøgende voksne.

Deres resultater er "det mest detaljerede eksempel til dato" på, hvad der sker med hjernen på et insekt, der gennemgår metamorfose, sagde Deniz Erezyilmaz, en postdoc-forsker ved University of Oxfords Center for Neurale Circuits and Behavior, som plejede at arbejde i Trumans laboratorium, men som ikke var involveret i dette arbejde. Resultaterne kan gælde for mange andre arter på Jorden, tilføjede hun.

Ud over at beskrive, hvordan en larvehjerne modnes til en voksen hjerne, giver den nye undersøgelse spor til, hvordan evolutionen fik udviklingen af ​​disse insekter til at tage en så vild omvej. "Det er et monumentalt stykke," sagde Bertram Gerber, en adfærdsneuroforsker ved Leibniz Institute for Neurobiology, som ikke var involveret i undersøgelsen, men var medforfatter til en relateret kommentar forum eLIFE. "Det er virkelig klimakset af 40 års forskning på området."

"Jeg kalder dette 'papiret' med versaler," sagde Darren Williams, en forsker i udviklingsneurobiologi ved King's College i London, som ikke var involveret i undersøgelsen, men er en langvarig samarbejdspartner for Truman's. "Det bliver grundlæggende vigtigt ... for mange spørgsmål."

En omvej på vej mod voksenlivet

De tidligste insekter for 480 millioner år siden dukkede op fra æg, der lignede mindre versioner af deres voksne selv, eller også fortsatte de deres "direkte udvikling" for at komme støt tættere på deres voksne form, ligesom græshopper, fårekyllinger og nogle andre insekter gør i dag. Fuldstændig metamorfose ser ud til at være opstået hos insekter for kun omkring 350 millioner år siden, før dinosaurerne.

De fleste forskere mener nu, at metamorfose udviklede sig for at mindske konkurrencen om ressourcer mellem voksne og deres afkom: At skifte larver til en meget anden form gjorde det muligt for dem at spise meget anderledes mad, end de voksne gjorde. "Det var en fantastisk strategi," sagde Truman. Insekter, der begyndte at gennemgå fuldstændig metamorfose, som biller, fluer, sommerfugle, bier, hvepse og myrer, eksploderede i antal.

Da Truman var barn, brugte han timer på at se insekter gå gennem processen. Med snørevingerne i særdeleshed, "var jeg fascineret af larvens vildskab kontra den voksnes sarte natur," sagde han.

Hans barndoms passion blev til sidst til en karriere og en familie. Efter at han giftede sig med sin doktorgradsrådgiver, Lynn Riddiford, som også er professor emerita ved University of Washington, rejste de verden rundt og indsamlede insekter, der metamorfoserer og andre, der ikke gør det, for at sammenligne deres udviklingsveje.

Mens Riddiford fokuserede sit arbejde på hormoners virkning på metamorfose, var Truman mest interesseret i hjernen. I 1974 udgav han det første papir på, hvad der sker med hjernen under metamorfose, som han sporede antallet af motoriske neuroner i hornormlarver og voksne. Siden da har talrige undersøgelser detaljeret forskellige neuroner og dele af hjernen hos larver og voksne, men de er enten anekdotiske eller fokuserede på meget små aspekter af processen. "Vi havde ikke meget af et stort billede," sagde Truman.

Truman vidste, at for virkelig at forstå, hvad der sker med hjernen, var han nødt til at kunne spore individuelle celler og kredsløb gennem processen. En frugtflues nervesystem tilbød en praktisk mulighed for at gøre det: Selvom de fleste af frugtfluelarvens kropsceller dør, når den forvandles til en voksen, gør mange af neuronerne i dens hjerne det ikke.

"Nervesystemet har aldrig været i stand til at ændre den måde, det laver neuroner på," sagde Truman. Det er delvist fordi nervesystemet i alle insekter opstår fra en række stamceller kaldet neuroblaster, der modnes til neuroner. Denne proces er ældre end selve metamorfosen og ikke let at ændre efter et bestemt udviklingsstadium. Så selvom næsten alle de andre celler i frugtfluens larvelegeme er elimineret, bliver de fleste af de oprindelige neuroner genbrugt for at fungere igen i den voksne.

Det ombyggede sind

Mange mennesker forestiller sig, at under metamorfose, når larvecellerne begynder at dø eller omarrangere sig selv, bliver insektets krop inde i dets kokon eller eksoskeletale hylster til noget som en suppe, hvor alle de resterende celler glider flydende rundt sammen. Men det er ikke helt rigtigt, forklarede Truman. "Alt har en position ... men det er virkelig sart, og hvis du åbner dyret op, brister alting bare," sagde han.

For at kortlægge hjerneændringerne i den gelatinøse masse granskede Truman og hans kolleger gensplejsede frugtfluelarver, der havde specifikke neuroner, der lyste fluorescerende grønt under mikroskopet. De fandt ud af, at denne fluorescens ofte falmede under metamorfose, så de brugte en genetisk teknik de havde udviklet sig i 2015 at tænde en rød fluorescens i de samme neuroner ved at give insekterne et bestemt lægemiddel.

Det er en "temmelig cool metode," sagde Andreas Thum, neuroforsker ved Leipzig Universitet og medforfatter af kommentaren sammen med Gerber. Det giver dig mulighed for at se på ikke bare en, to eller tre neuroner, men et helt netværk af celler.

Forskerne zonede ind på svampekroppen, et område af hjernen, der er afgørende for indlæring og hukommelse hos frugtfluelarver og voksne. Regionen består af en flok neuroner med lange aksonale haler, der ligger i parallelle linjer som strengene på en guitar. Disse neuroner kommunikerer med resten af ​​hjernen gennem input og output neuroner, der væver sig ind og ud af strengene, hvilket skaber et netværk af forbindelser, der tillader insektet at forbinde lugte med gode eller dårlige oplevelser. Disse netværk er arrangeret i forskellige computerrum, som mellemrummene mellem båndene på guitaren. Hvert rum har en opgave, såsom at lede en flue mod eller væk fra noget.

Truman og hans team fandt ud af, at når larverne gennemgår metamorfose, er kun syv af deres 10 neurale rum inkorporeret i den voksne svampekrop. Inden for disse syv dør nogle neuroner, og nogle bliver ombygget til at udføre nye voksne funktioner. Alle forbindelserne mellem neuronerne i svampekroppen og deres input og output neuroner opløses. På dette transformationsstadium "er det en slags denne ultimative buddhistiske situation, hvor du ingen input har, du har ingen output," sagde Gerber. "Det er kun mig, mig selv og jeg."

Input- og outputneuronerne i de tre larverum, som ikke bliver inkorporeret i den voksne svampekrop, afgiver fuldstændigt deres gamle identiteter. De forlader svampekroppen og integreres i nye hjernekredsløb andre steder i den voksne hjerne. "Du ville ikke vide, at de var de samme neuroner, bortset fra at vi har været i stand til både genetisk og anatomisk at følge dem igennem," sagde Truman.

Forskerne foreslår, at disse flyttende neuroner kun er midlertidige gæster i larvens svampelegeme, der påtager sig de nødvendige larvefunktioner i et stykke tid, men vender derefter tilbage til deres forfædres opgaver i den voksne hjerne. Det er i overensstemmelse med ideen om, at den voksne hjerne er den ældre, forfædres form inden for slægten, og den mere simple larvehjerne er en afledt form, der kom meget senere.

Ud over de ombyggede larve-neuroner, fødes mange nye neuroner, efterhånden som larven vokser. Disse neuroner bruges ikke af larven, men ved metamorfose modnes de til at blive input- og outputneuroner til ni nye beregningsrum, der er voksenspecifikke.

Svampekroppen i larven ligner meget den voksne version, sagde Thum, men "genomføringen er virkelig intens." Det er, som om input og output fra en computermaskine alle blev forstyrret, men stadig på en eller anden måde bevarede deres trådløse funktionalitet, sagde Gerber. "Det er næsten, som om du med vilje ville trække stikket ud og tilslutte igen" maskinen.

Som et resultat er den voksne hjernes svampekrop "fundamentalt ... en helt ny struktur," sagde K. VijayRaghavan, en emeritus-professor og tidligere direktør for Indiens Nationale Center for Biologiske Videnskaber, som var hovedredaktør på avisen og ikke var involveret i undersøgelsen. Der er ingen anatomisk indikation på, at minder kunne have overlevet, tilføjede han.

Hukommelsens skrøbelighed

Forskere har været begejstrede for dette spørgsmål om, hvorvidt en larves minder kan føre videre til det voksne insekt, sagde Williams, men svaret har ikke været entydigt.

De typer minder, der lever i svampekroppen af ​​en frugtflue, er associative minder, den slags, der forbinder to forskellige ting sammen - den type hukommelse, der for eksempel fik Pavlovs hunde til at savle ved lyden af ​​en klokke. For frugtfluen involverer associative minder typisk lugte, og de leder fluen mod eller væk fra noget.

Men deres konklusion om, at associative erindringer ikke kan overleve, er muligvis ikke gældende for alle arter. Sommerfugle- og billelarver udklækkes for eksempel med mere komplekse nervesystemer og flere neuroner, end frugtfluelarver har. Fordi deres nervesystemer starter mere kompliceret, skal de måske ikke omformes så meget.

Tidligere undersøgelser har fundet beviser for, at andre typer minder kan bestå i nogle arter. For eksempel, forklarede Gerber, tyder observationer og eksperimenter på, at mange insektarter udviser en præference for at formere sig på de samme typer planter, hvor de modnede: Larver født og opvokset på æbletræer har senere tendens til at lægge æg på æbletræer som voksne. "Så man undrer sig over, hvordan disse to typer observationer hænger sammen," sagde han. Hvordan overføres disse præferencer, hvis minderne ikke gør det? En mulighed er, at associative erindringer ikke overføres, men andre typer minder, der er placeret i andre dele af hjernen, gør det, sagde han.

Dataene giver muligheder for at sammenligne udviklingen af ​​nervesystemer hos dyr, der metamorfoserer, og dem, der ikke gør det. Insekternes nervesystem er blevet bevaret nok under evolutionen til, at forskere kan lokalisere tilsvarende neuroner i direkte udviklende arter såsom fårekyllinger og græshopper. Sammenligninger mellem dem kan besvare spørgsmål såsom, hvordan individuelle celler ændrede sig fra at have en enkelt til flere identiteter. Det er "et utroligt stærkt sammenlignende værktøj," sagde Williams.

Thum synes, det ville være interessant at se, om insektarter, der lever i forskellige miljøer, kan variere i måden, hvorpå deres hjerner bliver omarrangeret, og om minderne kan overleve i nogen af ​​dem. Gerber er nysgerrig efter at se, om de cellulære mekanismer i insektmetamorfose er de samme hos andre dyr, der gennemgår variationer af processen, som haletudser, der bliver til frøer, eller immobile hydra-lignende væsner, der bliver vandmænd. "Du kan endda være skør nok til at spekulere på, om vi skal se på puberteten som en slags metamorfose," sagde han.

Truman og hans team håber nu at dykke ned til det molekylære niveau for at se, hvilke gener der påvirker modningen og udviklingen af ​​nervesystemet. I 1971 antog forskere i et teoretisk papir, at en trio af gener styrer processen med insektmetamorfose, en idé som Riddiford og Truman yderligere bekræftede i en 2022 papir. Men mekanismerne bag, hvordan disse gener arbejder for at ombygge kroppen og hjernen, er stadig uklare.

Trumans ultimative mål er at lokke en neuron til at antage sin voksne form i larvehjernen. Succesfuld hacking af processen kan betyde, at vi virkelig forstår, hvordan disse insekter skaber flere identiteter gennem tiden.

Det er ukendt, hvordan reorganiseringsmønstrene ville være andre steder i hjernen. Men det er sandsynligt, at nogle aspekter af frugtfluens mentale kapaciteter og reaktioner på verden, bevidste eller ej, er formet af dens larveliv, sagde Truman. "Udfordringen er at forsøge at finde ud af arten og omfanget af disse effekter."