Insektengehirne schmelzen und vernetzen sich während der Metamorphose neu | Quanta-Magazin

In lauen Sommernächten flattern grüne Florfliegen um leuchtende Laternen in Hinterhöfen und auf Campingplätzen. Die Insekten mit ihren schleierartigen Flügeln lassen sich leicht von ihrer natürlichen Beschäftigung ablenken, nämlich Blütennektar zu schlürfen, räuberischen Fledermäusen auszuweichen und sich zu vermehren. Kleine Gelege der Eier, die sie legen, hängen an langen Stielen an der Unterseite der Blätter und wiegen sich wie Lichterketten im Wind.

Die baumelnden Eier-Ensembles sind schön, aber auch praktisch: Sie verhindern, dass die schlüpfenden Larven ihre ungeschlüpften Geschwister sofort fressen. Mit sichelartigen Kiefern, die ihre Beute durchbohren und aussaugen, seien Florfliegenlarven „bösartig“, heißt es James Truman, emeritierter Professor für Entwicklung, Zell- und Molekularbiologie an der University of Washington. „Es ist wie ‚Die Schöne und das Biest‘ in einem Tier.“

Diese Jekyll-und-Hyde-Dichotomie wird durch Metamorphose ermöglicht, das Phänomen, das vor allem für die Verwandlung von Raupen in Schmetterlinge bekannt ist. In ihrer extremsten Version, der vollständigen Metamorphose, sehen die jugendlichen und erwachsenen Formen wie völlig unterschiedliche Arten aus und verhalten sich auch so. Metamorphose ist im Tierreich keine Ausnahme; es ist fast eine Regel. Mehr als 80% Die heute bekannten Tierarten, hauptsächlich Insekten, Amphibien und wirbellose Meerestiere, unterliegen einer Form der Metamorphose oder haben komplexe, mehrstufige Lebenszyklen.

Der Prozess der Metamorphose birgt viele Geheimnisse, aber einige der rätselhaftesten drehen sich um das Nervensystem. Im Zentrum dieses Phänomens steht das Gehirn, das nicht nur eine, sondern mehrere unterschiedliche Identitäten kodieren muss. Schließlich unterscheidet sich das Leben eines fliegenden, Partner suchenden Insekts stark vom Leben einer hungrigen Raupe. Seit einem halben Jahrhundert beschäftigen sich Forscher mit der Frage, wie sich ein Netzwerk von Neuronen, das eine Identität kodiert – die einer hungrigen Raupe oder einer mörderischen Florfliegenlarve – verändert, um eine Erwachsenenidentität zu kodieren, die völlig andere Verhaltensweisen und Bedürfnisse umfasst .

Truman und sein Team haben nun herausgefunden, wie sehr die Metamorphose Teile des Gehirns neu mischt. In eine aktuelle Studie veröffentlicht in der Zeitschrift eLifeSie verfolgten Dutzende Neuronen im Gehirn von Fruchtfliegen, die eine Metamorphose durchliefen. Sie fanden heraus, dass sich erwachsene Insekten im Gegensatz zum gequälten Protagonisten aus Franz Kafkas Kurzgeschichte „Die Verwandlung“, der eines Tages als monströses Insekt erwacht, wahrscheinlich nicht an viel von ihrem Larvenleben erinnern können. Obwohl viele der Larvenneuronen in der Studie überlebten, wurde der Teil des Insektengehirns, den Trumans Gruppe untersuchte, dramatisch neu verdrahtet. Diese Überarbeitung der neuronalen Verbindungen spiegelte eine ähnlich dramatische Veränderung im Verhalten der Insekten wider, als sie sich von kriechenden, hungrigen Larven zu fliegenden, paarungssuchenden Erwachsenen wandelten.

Ihre Ergebnisse seien „das bisher detaillierteste Beispiel“ dafür, was mit dem Gehirn eines Insekts passiert, das sich in einer Metamorphose befindet, sagten sie Deniz Erezyilmaz, ein Postdoktorand am Centre for Neural Circuits and Behavior der Universität Oxford, der früher in Trumans Labor arbeitete, aber nicht an dieser Arbeit beteiligt war. Die Ergebnisse könnten auf viele andere Arten auf der Erde zutreffen, fügte sie hinzu.

Die neue Studie beschreibt nicht nur detailliert, wie das Gehirn einer Larve zu einem erwachsenen Gehirn heranreift, sondern liefert auch Hinweise darauf, wie die Evolution die Entwicklung dieser Insekten zu solch wilden Umwegen geführt hat. „Es ist ein monumentales Stück“, sagte er Bertram Gerber, ein Verhaltensneurowissenschaftler am Leibniz-Institut für Neurobiologie, der nicht an der Studie beteiligt war, aber Co-Autor von a zugehöriger Kommentar für eLife. „Es ist wirklich der Höhepunkt von 40 Jahren Forschung auf diesem Gebiet.“

„Ich nenne es in Großbuchstaben ‚The Paper‘“, sagte er Darren Williams, ein Forscher für Entwicklungsneurobiologie am King's College London, der nicht an der Studie beteiligt war, aber ein langjähriger Mitarbeiter von Truman ist. „Es wird von grundlegender Bedeutung sein … für viele Fragen.“

Ein Umweg auf dem Weg ins Erwachsensein

Die frühesten Insekten schlüpften vor 480 Millionen Jahren aus Eiern, die kleineren Versionen ihres erwachsenen Selbst ähnelten, oder sie setzten ihre „direkte Entwicklung“ fort und näherten sich immer mehr ihrer erwachsenen Form an, so wie es heute Heuschrecken, Grillen und einige andere Insekten tun. Eine vollständige Metamorphose scheint bei Insekten erst vor etwa 350 Millionen Jahren, also vor den Dinosauriern, stattgefunden zu haben.

Die meisten Forscher glauben heute, dass sich die Metamorphose entwickelt hat, um die Konkurrenz um Ressourcen zwischen Erwachsenen und ihren Nachkommen zu verringern: Durch die Umwandlung der Larven in eine ganz andere Form konnten sie ganz andere Nahrungsmittel zu sich nehmen als die Erwachsenen. „Es war eine großartige Strategie“, sagte Truman. Insekten, die eine vollständige Metamorphose zu durchlaufen begannen, wie Käfer, Fliegen, Schmetterlinge, Bienen, Wespen und Ameisen, explodierten in ihrer Zahl.

Als Truman ein Kind war, verbrachte er Stunden damit, Insekten bei diesem Prozess zu beobachten. Insbesondere bei den Florfliegen „war ich fasziniert von der Wildheit der Larve im Vergleich zur zarten Natur des erwachsenen Tieres“, sagte er.

Aus seiner Kindheitsleidenschaft wurde schließlich ein Beruf und eine Familie. Nachdem er seinen Doktorvater geheiratet hatte, Lynn Riddiford, der auch emeritierter Professor an der University of Washington ist, reisten sie um die Welt und sammelten Insekten, die sich verwandeln, und andere, die dies nicht tun, um ihre Entwicklungspfade zu vergleichen.

Während sich Riddiford in ihrer Arbeit auf die Wirkung von Hormonen auf die Metamorphose konzentrierte, interessierte sich Truman vor allem für das Gehirn. 1974 veröffentlichte er das erste Papier über das, was mit dem Gehirn während der Metamorphose passiert, wofür er die Anzahl der Motoneuronen in Hornwurmlarven und Erwachsenen verfolgte. Seitdem wurden in zahlreichen Studien verschiedene Neuronen und Teile des Gehirns von Larven und Erwachsenen detailliert untersucht. Sie sind jedoch entweder anekdotisch oder konzentrieren sich auf sehr kleine Aspekte des Prozesses. „Wir hatten keinen großen Überblick“, sagte Truman.

Truman wusste, dass er in der Lage sein musste, einzelne Zellen und Schaltkreise während des Prozesses zu verfolgen, um wirklich zu verstehen, was mit dem Gehirn geschieht. Das Nervensystem einer Fruchtfliege bot dafür eine praktische Möglichkeit: Obwohl die meisten Körperzellen der Fruchtfliegenlarve sterben, wenn sie sich in ein erwachsenes Tier verwandelt, sterben viele der Neuronen in ihrem Gehirn nicht.

„Das Nervensystem war nie in der Lage, die Art und Weise zu ändern, wie es Neuronen herstellt“, sagte Truman. Das liegt zum Teil daran, dass das Nervensystem aller Insekten aus einer Reihe von Stammzellen, sogenannten Neuroblasten, entsteht, die zu Neuronen heranreifen. Dieser Prozess ist älter als die Metamorphose selbst und lässt sich nach einem bestimmten Entwicklungsstadium nicht mehr leicht modifizieren. Auch wenn fast alle anderen Zellen im Larvenkörper der Fruchtfliege eliminiert werden, werden die meisten der ursprünglichen Neuronen recycelt, um im Erwachsenenalter erneut zu funktionieren.

Der umgestaltete Geist

Viele Menschen stellen sich vor, dass sich der Körper des Insekts in seinem Kokon oder seiner Außenskeletthülle während der Metamorphose, wenn die Larvenzellen zu sterben oder sich neu anzuordnen beginnen, in eine Art Suppe verwandelt, in der alle verbleibenden Zellen fließend zusammen gleiten. Aber das sei nicht ganz richtig, erklärte Truman. „Alles hat seine Position … aber es ist wirklich heikel, und wenn man das Tier öffnet, platzt alles einfach“, sagte er.

Um die Gehirnveränderungen in dieser gallertartigen Masse abzubilden, untersuchten Truman und seine Kollegen gentechnisch veränderte Fruchtfliegenlarven, deren spezifische Neuronen unter dem Mikroskop fluoreszierend grün leuchteten. Sie fanden heraus, dass diese Fluoreszenz während der Metamorphose häufig verblasste, und verwendeten daher eine genetische Technik sie hatten sich entwickelt im Jahr 2015, um in denselben Neuronen eine rote Fluoreszenz anzuregen, indem man den Insekten ein bestimmtes Medikament verabreichte.

Es sei eine „ziemlich coole Methode“, sagte er Andreas Daumen, Neurowissenschaftler an der Universität Leipzig und Co-Autor des Kommentars mit Gerber. Damit können Sie nicht nur ein, zwei oder drei Neuronen betrachten, sondern ein ganzes Netzwerk von Zellen.

Die Forscher konzentrierten sich auf den Pilzkörper, eine Region des Gehirns, die für das Lernen und das Gedächtnis von Fruchtfliegenlarven und Erwachsenen von entscheidender Bedeutung ist. Die Region besteht aus einer Ansammlung von Neuronen mit langen Axonschwänzen, die wie die Saiten einer Gitarre in parallelen Linien liegen. Diese Neuronen kommunizieren mit dem Rest des Gehirns über Eingabe- und Ausgabeneuronen, die sich in die Fäden ein- und ausweben und so ein Netzwerk von Verbindungen schaffen, das es dem Insekt ermöglicht, Gerüche mit guten oder schlechten Erfahrungen zu assoziieren. Diese Netzwerke sind in unterschiedlichen Rechenkompartimenten angeordnet, wie die Zwischenräume zwischen den Bünden einer Gitarre. Jedes Fach hat eine Aufgabe, beispielsweise eine Fliege auf etwas zu oder von etwas weg zu lenken.

Truman und sein Team fanden heraus, dass bei der Metamorphose der Larven nur sieben ihrer zehn Nervenkompartimente in den Körper des erwachsenen Pilzes eingebaut werden. Innerhalb dieser sieben Neuronen sterben einige Neuronen ab und andere werden umgebaut, um neue Erwachsenenfunktionen zu erfüllen. Sämtliche Verbindungen zwischen den Neuronen im Pilzkörper und ihren Eingangs- und Ausgangsneuronen werden aufgelöst. In dieser Transformationsphase „ist es eine Art ultimative buddhistische Situation, in der man keine Inputs und keine Outputs hat“, sagte Gerber. „Es sind nur ich, ich und ich.“

Die Input- und Output-Neuronen in den drei Larvenkompartimenten, die nicht in den erwachsenen Pilzkörper integriert werden, verlieren vollständig ihre alte Identität. Sie verlassen den Pilzkörper und integrieren sich in neue Gehirnschaltkreise an anderer Stelle im erwachsenen Gehirn. „Man wüsste nicht, dass es sich um dieselben Neuronen handelte, außer dass wir sie sowohl genetisch als auch anatomisch verfolgen konnten“, sagte Truman.

Die Forscher vermuten, dass diese umsiedelnden Neuronen nur vorübergehende Gäste im Larvenpilzkörper sind und für eine Weile die notwendigen Larvenfunktionen übernehmen, dann aber im erwachsenen Gehirn zu ihren angestammten Aufgaben zurückkehren. Das steht im Einklang mit der Vorstellung, dass das erwachsene Gehirn die ältere, angestammte Form innerhalb der Abstammungslinie ist und das einfachere Larvenhirn eine abgeleitete Form ist, die viel später entstand.

Zusätzlich zu den umgestalteten Neuronen der Larve werden während des Wachstums der Larve viele neue Neuronen geboren. Diese Neuronen werden von der Larve nicht genutzt, aber bei der Metamorphose reifen sie heran und werden zu Eingabe- und Ausgabeneuronen für neun neue Rechenkompartimente, die für Erwachsene spezifisch sind.

Der Pilzkörper in der Larve sehe der erwachsenen Version sehr ähnlich, sagte Thum, aber „die Neuverdrahtung ist wirklich intensiv.“ Es sei, als ob die Ein- und Ausgänge einer Rechenmaschine alle unterbrochen würden, aber dennoch irgendwie ihre drahtlose Funktionalität beibehalten würden, sagte Gerber. „Es ist fast so, als würde man die Maschine bewusst aus- und wieder einstecken.“

Infolgedessen sei der Pilzkörper des erwachsenen Gehirns „grundsätzlich … eine völlig neue Struktur“, sagte er K. Vijay Raghavan, ein emeritierter Professor und ehemaliger Direktor des indischen National Center for Biological Sciences, der der Hauptherausgeber des Artikels war und nicht an der Studie beteiligt war. Es gebe keinen anatomischen Hinweis darauf, dass Erinnerungen überlebt haben könnten, fügte er hinzu.

Die Zerbrechlichkeit der Erinnerung

Forscher seien von der Frage, ob die Erinnerungen einer Larve auf das erwachsene Insekt übertragen werden können, begeistert gewesen, sagte Williams, aber die Antwort sei nicht eindeutig.

Die Art von Erinnerungen, die im Pilzkörper einer Fruchtfliege leben, sind assoziative Erinnerungen, die Art, die zwei verschiedene Dinge miteinander verbindet – die Art von Erinnerung, die zum Beispiel Pawlows Hunden beim Klang einer Glocke den Speichelfluss auslöste. Bei der Fruchtfliege beinhalten assoziative Erinnerungen typischerweise Gerüche, und sie leiten die Fliege auf etwas zu oder von etwas weg.

Ihre Schlussfolgerung, dass assoziative Erinnerungen nicht überleben können, trifft jedoch möglicherweise nicht auf alle Arten zu. Schmetterlings- und Käferlarven beispielsweise schlüpfen mit komplexeren Nervensystemen und mehr Neuronen als Fruchtfliegenlarven. Da ihr Nervensystem anfangs komplizierter ist, müssen sie möglicherweise nicht so stark umgestaltet werden.

Frühere Studien haben Hinweise darauf gefunden, dass bei einigen Arten auch andere Arten von Erinnerungen bestehen bleiben können. Beispielsweise, erklärte Gerber, deuten Beobachtungen und Experimente darauf hin, dass viele Insektenarten eine Vorliebe für die Fortpflanzung auf denselben Pflanzenarten zeigen, auf denen sie gereift sind: Auf Apfelbäumen geborene und aufgezogene Larven neigen später dazu, als Erwachsene Eier auf Apfelbäumen zu legen. „Man fragt sich also, wie diese beiden Arten von Beobachtungen zusammenhängen“, sagte er. Wie übertragen sich diese Vorlieben, wenn dies bei Erinnerungen nicht der Fall ist? Eine Möglichkeit besteht darin, dass assoziative Erinnerungen nicht übertragen werden, andere Arten von Erinnerungen, die in anderen Teilen des Gehirns gespeichert sind, jedoch schon, sagte er.

Die Daten bieten Möglichkeiten, die Entwicklung des Nervensystems bei Tieren, die sich verwandeln, und solchen, die dies nicht tun, zu vergleichen. Das Nervensystem von Insekten wurde im Laufe der Evolution so weit konserviert, dass Forscher äquivalente Neuronen in sich direkt entwickelnden Arten wie Grillen und Heuschrecken lokalisieren können. Durch Vergleiche zwischen ihnen können Fragen beantwortet werden, beispielsweise wie sich einzelne Zellen von einer Einzelidentität zu einer Mehrfachidentität verändert haben. Es sei „ein unglaublich leistungsfähiges Vergleichsinstrument“, sagte Williams.

Thum meint, es wäre interessant zu sehen, ob Insektenarten, die in verschiedenen Umgebungen leben, sich in der Art und Weise unterscheiden könnten, wie ihre Gehirne neu angeordnet werden, und ob Erinnerungen in jeder von ihnen überleben können. Gerber ist neugierig, ob die zellulären Mechanismen bei der Metamorphose von Insekten bei anderen Tieren, die Variationen des Prozesses durchlaufen, die gleichen sind, wie etwa Kaulquappen, die zu Fröschen werden, oder unbeweglichen, hydraähnlichen Lebewesen, die zu Quallen werden. „Vielleicht sind Sie sogar verrückt genug, sich zu fragen, ob wir die Pubertät als eine Art Metamorphose betrachten sollten“, sagte er.

Truman und sein Team hoffen nun, auf molekularer Ebene vorzudringen, um herauszufinden, welche Gene die Reifung und Entwicklung des Nervensystems beeinflussen. Im Jahr 1971 stellten Forscher in einer theoretischen Arbeit die Hypothese auf, dass ein Trio von Genen den Prozess der Insektenmetamorphose steuert, eine Idee, die Riddiford und Truman in einem weiteren bestätigten 2022 Papier. Die Mechanismen, die dahinterstecken, wie diese Gene den Körper und das Gehirn umgestalten, bleiben jedoch unklar.

Trumans ultimatives Ziel besteht darin, ein Neuron dazu zu bringen, im Gehirn der Larve seine erwachsene Form anzunehmen. Das erfolgreiche Hacken des Prozesses könnte bedeuten, dass wir wirklich verstehen, wie diese Insekten im Laufe der Zeit mehrere Identitäten schaffen.

Es ist unbekannt, wie die Reorganisationsmuster anderswo im Gehirn aussehen würden. Aber es ist wahrscheinlich, dass einige Aspekte der geistigen Fähigkeiten und Reaktionen der Fruchtfliege auf die Welt, ob bewusst oder unbewusst, durch ihr Larvenleben geprägt werden, sagte Truman. „Die Herausforderung besteht darin, die Art und das Ausmaß dieser Auswirkungen herauszufinden.“