مغز حشرات در طول دگردیسی ذوب می شود و دوباره سیم می کشد | مجله کوانتا

در شب‌های گرم تابستان، توری‌های سبز در اطراف فانوس‌های روشن در حیاط‌های خلوت و محل‌های کمپینگ بال می‌زنند. حشرات با بالهای حجاب مانند خود به راحتی از مشغله طبیعی خود در خوردن شهد گل، اجتناب از خفاش های درنده و تولید مثل منحرف می شوند. چنگال‌های کوچک تخم‌هایی که می‌گذارند از ساقه‌های بلند در زیر برگ‌ها آویزان است و مانند چراغ‌های پری در باد می‌چرخند.

مجموعه‌های آویزان تخم‌ها زیبا هستند اما در عین حال کاربردی هستند: آنها لاروهای جوجه‌آور را از خوردن فوراً خواهر و برادرهای خارج نشده خود باز می‌دارند. با آرواره های داسی مانند که طعمه های آنها را سوراخ می کند و آنها را خشک می کند، لاروهای توری "شریر" هستند. جیمز ترومن، استاد بازنشسته توسعه، زیست شناسی سلولی و مولکولی در دانشگاه واشنگتن. "این مانند "زیبایی و هیولا" در یک حیوان است."

این دوگانگی جکیل و هاید توسط دگردیسی ممکن می شود، پدیده ای که بیشتر برای تبدیل کرم ها به پروانه شناخته شده است. در افراطی‌ترین نسخه، دگردیسی کامل، شکل‌های نوجوان و بالغ شبیه گونه‌های کاملاً متفاوتی به نظر می‌رسند و عمل می‌کنند. مسخ در قلمرو حیوانات مستثنی نیست. تقریبا یک قانون است بیش از 80٪ از گونه های جانوری شناخته شده امروزی، عمدتاً حشرات، دوزیستان و بی مهرگان دریایی، دستخوش نوعی دگردیسی می شوند یا دارای چرخه های زندگی پیچیده و چند مرحله ای هستند.

فرآیند دگردیسی اسرار بسیاری را ارائه می دهد، اما برخی از عمیقاً گیج کننده ترین آنها بر روی سیستم عصبی متمرکز است. در مرکز این پدیده مغز قرار دارد که باید نه یک بلکه چندین هویت مختلف را رمزگذاری کند. از این گذشته، زندگی یک حشره جفت جویای جفت با زندگی یک کاترپیلار گرسنه بسیار متفاوت است. در نیم قرن گذشته، محققان این سوال را بررسی کرده‌اند که چگونه شبکه‌ای از نورون‌ها که یک هویت را رمزگذاری می‌کنند - هویت یک کاترپیلار گرسنه یا یک لارو توری قاتل - برای رمزگذاری هویت بالغی که مجموعه‌ای از رفتارها و نیازهای کاملاً متفاوت را در بر می‌گیرد تغییر می‌کند. .

ترومن و تیمش اکنون دریافته‌اند که دگردیسی تا چه اندازه بخش‌های مغز را تغییر می‌دهد. که در یک مطالعه اخیر منتشر شده در مجله eLifeآنها ده‌ها نورون را در مغز مگس‌های میوه که در حال دگردیسی بودند، ردیابی کردند. آنها دریافتند که برخلاف قهرمان داستان کوتاه فرانتس کافکا «مگردونه» که روزی به‌عنوان حشره‌ای هیولا از خواب بیدار می‌شود، حشرات بالغ احتمالاً نمی‌توانند بخش زیادی از زندگی لاروی خود را به خاطر بیاورند. اگرچه بسیاری از نورون‌های لارو در این مطالعه دوام آوردند، اما بخشی از مغز حشرات که گروه ترومن بررسی کردند، به‌طور چشمگیری دوباره سیم‌کشی شد. این اصلاحات اساسی در اتصالات عصبی منعکس کننده تغییر چشمگیر مشابهی در رفتار حشرات بود، زیرا آنها از لاروهای خزنده و گرسنه به بزرگسالان جفت جویای پرواز تبدیل شدند.

یافته‌های آن‌ها «جزئی‌ترین مثال تا به امروز» از آنچه برای مغز حشره‌ای در حال دگردیسی اتفاق می‌افتد است. دنیز ارزییلماز، یک دانشمند تحقیقاتی فوق دکترا در مرکز مدارهای عصبی و رفتار دانشگاه آکسفورد که قبلاً در آزمایشگاه ترومن کار می کرد اما در این کار دخالتی نداشت. او افزود که نتایج ممکن است در مورد بسیاری از گونه های دیگر روی زمین اعمال شود.

فراتر از جزئیات چگونگی بلوغ مغز لارو به مغز بالغ، مطالعه جدید سرنخ هایی را ارائه می دهد که چگونه تکامل باعث شد تا رشد این حشرات به چنین مسیر وحشی برسد. گفت: "این یک قطعه به یاد ماندنی است." برترام گربر، یک متخصص علوم اعصاب رفتاری در موسسه نوروبیولوژی لایبنیتس که در این مطالعه شرکت نداشت اما یکی از نویسندگان تفسیر مرتبط برای eLife. "این واقعاً اوج 40 سال تحقیق در این زمینه است."

گفت: «من این را با حروف بزرگ «کاغذ» می نامم دارن ویلیامزمحققی در نوروبیولوژی رشدی در کینگز کالج لندن که در این مطالعه شرکت نداشت اما از همکاران قدیمی ترومن است. "این برای بسیاری از سوالات اساساً مهم خواهد بود."

انحرافی در راه بزرگسالی

اولین حشرات 480 میلیون سال پیش از تخم‌ها ظاهر شدند که بسیار شبیه نسخه‌های کوچک‌تر خود بالغ‌شان بودند، در غیر این صورت آنها به "رشد مستقیم" خود ادامه دادند تا پیوسته به شکل بالغ خود نزدیک‌تر شوند، درست مانند ملخ‌ها، جیرجیرک‌ها و برخی دیگر از حشرات امروزی. به نظر می رسد دگردیسی کامل در حشرات تنها در حدود 350 میلیون سال پیش، قبل از دایناسورها به وجود آمده است.

اکثر محققان اکنون بر این باورند که دگردیسی تکامل یافته است تا رقابت برای منابع بین بزرگسالان و فرزندان آنها را کاهش دهد: شنت لاروها به شکل بسیار متفاوت به آنها اجازه می دهد تا غذاهای بسیار متفاوتی را نسبت به بزرگسالان بخورند. ترومن گفت: «این یک استراتژی عالی بود. حشراتی که شروع به دگردیسی کامل کردند، مانند سوسک ها، مگس ها، پروانه ها، زنبورها، زنبورها و مورچه ها، تعدادشان منفجر شد.

هنگامی که ترومن کودک بود، ساعت ها به تماشای حشرات می گذراند. او گفت: با توجه به توری‌های مخصوص، «محور وحشی بودن لارو در مقابل طبیعت ظریف انسان بالغ بودم».

اشتیاق دوران کودکی او در نهایت به شغل و خانواده تبدیل شد. پس از ازدواج با مشاور دکتری خود، لین ریدیفوردکه استاد ممتاز دانشگاه واشنگتن نیز هست، آنها به دور دنیا سفر کردند و حشراتی را که دگردیسی می‌کنند و دیگرانی را که تغییر نمی‌دهند جمع‌آوری کردند تا مسیرهای رشدشان را با هم مقایسه کنند.

در حالی که ریدیفورد کار خود را بر روی تأثیر هورمون ها بر دگردیسی متمرکز کرد، ترومن بیشترین علاقه را به مغز داشت. در سال 1974 منتشر کرد مقاله اول در مورد آنچه که در طول دگردیسی برای مغز اتفاق می افتد، که برای آن تعداد نورون های حرکتی در لارو کرم شاخکی و بالغین را ردیابی کرد. از آن زمان، مطالعات متعددی به جزئیات نورون‌ها و بخش‌های مختلف مغز لاروها و بزرگسالان پرداخته‌اند، اما آنها یا حکایتی هستند یا بر جنبه‌های بسیار کوچکی از این فرآیند متمرکز شده‌اند. ترومن گفت: «ما تصویر بزرگی نداشتیم.

ترومن می‌دانست که برای درک واقعی آنچه برای مغز اتفاق می‌افتد، باید بتواند سلول‌ها و مدارهای منفرد را در طول فرآیند ردیابی کند. سیستم عصبی یک مگس میوه فرصتی عملی برای انجام این کار ارائه کرد: اگرچه اکثر سلول‌های بدن لارو مگس میوه هنگام تبدیل شدن به یک انسان بالغ می‌میرند، اما بسیاری از نورون‌های مغزش اینطور نیستند.

ترومن می‌گوید: «سیستم عصبی هرگز نتوانسته است روش ساخت نورون‌ها را تغییر دهد. این تا حدی به این دلیل است که سیستم عصبی در همه حشرات از مجموعه‌ای از سلول‌های بنیادی به نام نوروبلاست‌ها ناشی می‌شود که به سلول‌های عصبی بالغ می‌شوند. این فرآیند از خود دگردیسی قدیمی‌تر است و پس از مرحله خاصی از توسعه به راحتی اصلاح نمی‌شود. بنابراین حتی با حذف تقریباً تمام سلول‌های دیگر در بدن لارو مگس میوه، بیشتر نورون‌های اصلی بازیافت می‌شوند تا در بزرگسالان دوباره عمل کنند.

ذهن بازسازی شده

بسیاری از مردم تصور می‌کنند که در طول دگردیسی، زمانی که سلول‌های لارو شروع به مردن یا تنظیم مجدد خود می‌کنند، بدن حشره در داخل پیله یا محفظه اسکلتی بیرونی آن به چیزی شبیه سوپ تبدیل می‌شود و تمام سلول‌های باقی‌مانده به صورت سیال به اطراف می‌لغزند. ترومن توضیح داد، اما این کاملا درست نیست. او گفت: "همه چیز موقعیتی دارد... اما واقعاً ظریف است، و اگر حیوان را باز کنید، همه چیز می ترکد."

برای ترسیم تغییرات مغز در آن توده ژلاتینی، ترومن و همکارانش لاروهای مگس میوه دستکاری شده ژنتیکی را که دارای نورون های خاصی بودند که زیر میکروسکوپ سبز فلورسنت می درخشیدند را مورد بررسی قرار دادند. آنها دریافتند که این فلورسانس اغلب در طول دگردیسی محو می شود، بنابراین از یک تکنیک ژنتیکی استفاده کردند. توسعه داده بودند در سال 2015 با دادن داروی خاصی به حشرات، فلورسانس قرمز را در همان نورون ها روشن کرد.

گفت: این یک "روش بسیار جالب" است آندریاس توم، یک عصب شناس در دانشگاه لایپزیگ و یکی از نویسندگان تفسیر با گربر. این به شما امکان می دهد نه تنها به یک، دو یا سه نورون بلکه یک شبکه کامل از سلول ها نگاه کنید.

محققان روی بدن قارچ، ناحیه ای از مغز که برای یادگیری و حافظه در لاروهای مگس میوه و بالغین حیاتی است، قرار گرفتند. این ناحیه از دسته ای از نورون ها با دم آکسونی بلند تشکیل شده است که مانند سیم های گیتار در خطوط موازی قرار دارند. این نورون‌ها از طریق نورون‌های ورودی و خروجی که درون و بیرون رشته‌ها می‌بافند، با بقیه مغز ارتباط برقرار می‌کنند و شبکه‌ای از اتصالات را ایجاد می‌کنند که به حشره اجازه می‌دهد بوها را با تجربیات خوب یا بد مرتبط کند. این شبکه‌ها در محفظه‌های محاسباتی مجزا قرار گرفته‌اند، مانند فضاهای بین فرت‌های گیتار. هر کوپه وظیفه ای دارد، مانند هدایت مگس به سمت یا دور کردن از چیزی.

ترومن و تیمش دریافتند که وقتی لاروها دچار دگردیسی می‌شوند، تنها هفت بخش از 10 بخش عصبی آن‌ها در بدن قارچ بالغ گنجانده می‌شود. در این هفت نورون، برخی از نورون‌ها می‌میرند و برخی دیگر برای انجام عملکردهای جدید بزرگسالان بازسازی می‌شوند. تمام اتصالات بین نورون های بدن قارچ و نورون های ورودی و خروجی آنها حل می شود. گربر گفت: در این مرحله دگرگونی، «این یک نوع وضعیت بودایی نهایی است که در آن هیچ ورودی و خروجی ندارید». "این فقط من، خودم و من هستیم."

نورون های ورودی و خروجی در سه محفظه لارو که در بدن قارچ بالغ گنجانده نمی شوند، کاملاً هویت قدیمی خود را از بین می برند. آنها بدن قارچ را ترک می کنند و در مدارهای مغزی جدید در جای دیگری از مغز بزرگسالان ادغام می شوند. ترومن گفت: "شما نمی دانید که آنها همان نورون ها هستند، به جز اینکه ما توانسته ایم از نظر ژنتیکی و تشریحی آنها را دنبال کنیم."

محققان پیشنهاد می‌کنند که این نورون‌های در حال جابجایی تنها مهمان‌های موقتی در بدن قارچ لارو هستند و برای مدتی عملکردهای لارو لازم را انجام می‌دهند اما سپس به وظایف اجدادی خود در مغز بالغ برمی‌گردند. این با این ایده مطابقت دارد که مغز بالغ شکل قدیمی‌تر و اجدادی درون دودمان است و مغز لارو ساده‌تر شکلی مشتق شده است که خیلی دیرتر به وجود آمد.

علاوه بر نورون های لارو بازسازی شده، بسیاری از نورون های جدید با رشد لارو متولد می شوند. این نورون‌ها توسط لارو استفاده نمی‌شوند، اما در هنگام دگردیسی بالغ می‌شوند تا به نورون‌های ورودی و خروجی برای نه بخش محاسباتی جدید تبدیل شوند که مخصوص بزرگسالان است.

توم گفت که بدن قارچ در لارو بسیار شبیه به نوع بالغ است، اما "سیم کشی مجدد واقعا شدید است." گربر گفت، انگار ورودی و خروجی یک ماشین محاسباتی همگی مختل شده اند، اما همچنان عملکرد بی سیم خود را حفظ کرده اند. "تقریباً مثل این است که شما عمداً دستگاه را از برق جدا کرده و دوباره وصل کنید".

در نتیجه، بدن قارچی مغز بالغ "اساساً ... ساختار کاملاً جدیدی است." K. VijayRaghavan، استاد بازنشسته و مدیر سابق مرکز ملی علوم زیستی هند که سردبیر اصلی مقاله بود و در این مطالعه شرکت نداشت. او افزود که هیچ نشانه آناتومیکی وجود ندارد که بتواند خاطرات زنده بماند.

شکنندگی حافظه

ویلیامز گفت که محققان از این سوال هیجان زده شده اند که آیا خاطرات لارو می تواند به حشره بالغ نیز منتقل شود، اما پاسخ روشن نیست.

انواع خاطراتی که در بدن قارچی مگس میوه زندگی می کنند، خاطرات تداعی کننده ای هستند، خاطراتی که دو چیز مختلف را به هم مرتبط می کند - برای مثال، نوعی خاطره که باعث شد سگ های پاولوف با صدای زنگ بزاق ترشح کنند. برای مگس میوه، خاطرات تداعی معمولاً شامل بو می شود و مگس را به سمت یا دور از چیزی هدایت می کند.

با این حال، نتیجه گیری آنها مبنی بر اینکه خاطرات تداعی نمی توانند زنده بمانند ممکن است برای همه گونه ها صادق نباشد. به عنوان مثال، لارو پروانه ها و سوسک ها با سیستم عصبی پیچیده تر و نورون های بیشتری نسبت به لارو مگس میوه بیرون می آیند. از آنجایی که سیستم عصبی آن‌ها پیچیده‌تر شروع می‌شود، ممکن است نیازی به بازسازی آنها نباشد.

مطالعات قبلی شواهدی پیدا کرده اند که انواع دیگر خاطرات می توانند در برخی از گونه ها باقی بمانند. به عنوان مثال، گربر توضیح داد، مشاهدات و آزمایش‌ها نشان می‌دهد که بسیاری از گونه‌های حشرات ترجیح می‌دهند روی همان گونه‌هایی از گیاهانی که در آنجا بالغ شده‌اند تولید مثل کنند: لاروهایی که روی درختان سیب متولد و بزرگ شده‌اند بعداً در بزرگسالی روی درختان سیب تخم‌گذاری می‌کنند. او گفت: «بنابراین انسان تعجب می‌کند که این دو نوع مشاهدات چگونه به هم مرتبط هستند. اگر خاطرات اینطور نباشند، این ترجیحات چگونه منتقل می شوند؟ او گفت که یکی از احتمالات این است که خاطرات تداعی کننده منتقل نمی شوند، اما انواع دیگر خاطراتی که در قسمت های دیگر مغز نگهداری می شوند، منتقل می شوند.

داده‌ها فرصت‌هایی را برای مقایسه توسعه سیستم‌های عصبی در حیواناتی که دگرگون می‌شوند و حیواناتی که این کار را نمی‌کنند، ارائه می‌دهد. سیستم عصبی حشرات در طول تکامل به اندازه کافی حفظ شده است که محققان می توانند نورون های معادل را در گونه هایی که مستقیماً در حال رشد هستند مانند جیرجیرک ها و ملخ ها شناسایی کنند. مقایسه بین آنها می تواند به سؤالاتی مانند چگونگی تغییر سلول های منفرد از هویت واحد به چند هویت پاسخ دهد. ویلیامز گفت: این یک ابزار مقایسه ای فوق العاده قدرتمند است.

تام فکر می‌کند جالب است که ببینیم آیا گونه‌های حشره‌ای که در محیط‌های مختلف زندگی می‌کنند ممکن است در شیوه‌های بازآرایی مغزشان متفاوت باشند و آیا خاطرات می‌توانند در هر یک از آنها زنده بمانند یا خیر. گربر کنجکاو است که ببیند آیا مکانیسم‌های سلولی در دگردیسی حشرات در حیوانات دیگری که تغییراتی در این فرآیند دارند، یکسان است، مانند بچه قورباغه‌هایی که تبدیل به قورباغه می‌شوند یا موجودات بی‌حرکتی شبیه هیدرا که تبدیل به چتر دریایی می‌شوند. او گفت: «شاید حتی آنقدر دیوانه باشید که فکر کنید آیا باید به بلوغ به عنوان نوعی دگردیسی نگاه کنیم یا خیر.

ترومن و تیمش اکنون امیدوارند تا سطح مولکولی را پایین بیاورند تا ببینند کدام ژن بر بلوغ و تکامل سیستم عصبی تأثیر می گذارد. در سال 1971، محققان در یک مقاله نظری فرضیه‌ای را مطرح کردند که سه ژن فرآیند دگردیسی حشرات را هدایت می‌کنند، ایده‌ای که ریدیفورد و ترومن بیشتر در یک مقاله تأیید کردند. مقاله 2022. اما مکانیسم های پشت این ژن ها برای بازسازی بدن و مغز نامشخص است.

هدف نهایی ترومن این است که یک نورون را تشویق کند تا شکل بالغ خود را در مغز لارو به خود بگیرد. هک موفقیت آمیز فرآیند ممکن است به این معنی باشد که ما واقعاً درک می کنیم که چگونه این حشرات در طول زمان هویت های متعددی را ایجاد می کنند.

ناشناخته است که الگوهای سازماندهی مجدد در جاهای دیگر مغز چگونه خواهد بود. ترومن گفت، اما این احتمال وجود دارد که برخی از جنبه‌های ظرفیت‌های ذهنی و پاسخ‌های مگس میوه به جهان، آگاهانه یا غیرآگاهانه، توسط زندگی لاروی آن شکل گرفته باشد. "چالش در تلاش برای کشف ماهیت و میزان این اثرات است."