Otak Serangga Mencair dan Berubah Selama Metamorfosis | Majalah Quanta

Pada malam musim panas yang hangat, sayap hijau berkibar di sekitar lentera terang di halaman belakang dan di tempat perkemahan. Serangga, dengan sayapnya yang seperti kerudung, mudah teralihkan dari keasyikan alaminya dengan menghirup nektar bunga, menghindari kelelawar pemangsa, dan bereproduksi. Telur-telur kecil yang mereka taruh tergantung di batang panjang di bagian bawah daun dan bergoyang seperti lampu peri tertiup angin.

Ansambel telur yang menjuntai itu indah tetapi juga praktis: Mereka menjaga larva yang menetas agar tidak segera memakan saudara mereka yang belum menetas. Dengan rahang seperti sabit yang menusuk mangsanya dan menyedotnya hingga kering, larva sayap renda itu "ganas", katanya James Truman, seorang profesor emeritus pengembangan, sel dan biologi molekuler di University of Washington. "Ini seperti 'Beauty and the Beast' dalam satu binatang."

Dikotomi Jekyll-dan-Hyde ini dimungkinkan oleh metamorfosis, fenomena yang paling dikenal untuk mengubah ulat menjadi kupu-kupu. Dalam versi yang paling ekstrim, metamorfosis sempurna, bentuk remaja dan dewasa terlihat dan bertindak seperti spesies yang sama sekali berbeda. Metamorfosis bukanlah pengecualian dalam kerajaan hewan; itu hampir aturan. Lebih dari 80% dari spesies hewan yang dikenal saat ini, terutama serangga, amfibi, dan invertebrata laut, mengalami beberapa bentuk metamorfosis atau memiliki siklus hidup bertingkat yang kompleks.

Proses metamorfosis menghadirkan banyak misteri, tetapi beberapa di antaranya yang paling membingungkan berpusat pada sistem saraf. Pusat dari fenomena ini adalah otak, yang harus mengkode bukan hanya untuk satu tapi beberapa identitas yang berbeda. Lagi pula, kehidupan serangga pencari jodoh yang terbang sangat berbeda dengan kehidupan ulat yang lapar. Selama setengah abad terakhir, para peneliti telah menyelidiki pertanyaan tentang bagaimana jaringan neuron yang mengkodekan satu identitas — yaitu ulat lapar atau larva lacewing pembunuh — bergeser untuk menyandikan identitas dewasa yang mencakup serangkaian perilaku dan kebutuhan yang sama sekali berbeda. .

Truman dan timnya kini telah mempelajari seberapa banyak metamorfosis mengubah bagian-bagian otak. Di dalam sebuah penelitian terbaru diterbitkan dalam jurnal eHidup, mereka melacak lusinan neuron di otak lalat buah yang mengalami metamorfosis. Mereka menemukan bahwa, tidak seperti protagonis tersiksa dari cerita pendek Franz Kafka "The Metamorphosis," yang suatu hari terbangun sebagai serangga mengerikan, serangga dewasa kemungkinan besar tidak dapat mengingat banyak kehidupan larva mereka. Meskipun banyak neuron larva dalam penelitian bertahan, bagian dari otak serangga yang diperiksa oleh kelompok Truman secara dramatis diubah. Perombakan koneksi saraf itu mencerminkan perubahan dramatis serupa dalam perilaku serangga saat mereka berubah dari larva yang merangkak dan lapar menjadi serangga dewasa yang terbang dan mencari pasangan.

Temuan mereka adalah "contoh paling rinci hingga saat ini" tentang apa yang terjadi pada otak serangga yang mengalami metamorfosis Deniz Erezilmaz, seorang ilmuwan penelitian pascadoktoral di Pusat Sirkuit Neural dan Perilaku Universitas Oxford yang pernah bekerja di lab Truman tetapi tidak terlibat dalam pekerjaan ini. Hasilnya mungkin berlaku untuk banyak spesies lain di Bumi, tambahnya.

Selain merinci bagaimana otak larva matang menjadi otak orang dewasa, studi baru ini memberikan petunjuk bagaimana evolusi membuat perkembangan serangga ini mengambil jalan memutar yang liar. "Ini adalah bagian yang monumental," kata Bertram Gerber, seorang ahli saraf perilaku di Leibniz Institute for Neurobiology yang tidak terlibat dalam penelitian ini tetapi ikut menulis sebuah komentar terkait untuk eHidup. “Ini benar-benar puncak dari penelitian selama 40 tahun di lapangan.”

“Saya menyebutnya 'The Paper' dengan huruf kapital,” kata Darren Williams, seorang peneliti neurobiologi perkembangan di King's College London yang tidak terlibat dalam penelitian ini tetapi merupakan kolaborator lama Truman's. "Ini akan menjadi sangat penting ... untuk banyak pertanyaan."

Sebuah Jalan Memutar Menuju Kedewasaan

Serangga paling awal 480 juta tahun yang lalu muncul dari telur yang tampak seperti versi lebih kecil dari diri dewasa mereka, atau mereka melanjutkan "perkembangan langsung" mereka untuk semakin mendekati bentuk dewasa mereka, seperti yang dilakukan belalang, jangkrik, dan beberapa serangga lainnya saat ini. Metamorfosis sempurna tampaknya muncul pada serangga hanya sekitar 350 juta tahun yang lalu, sebelum dinosaurus.

Sebagian besar peneliti sekarang percaya bahwa metamorfosis berevolusi untuk mengurangi persaingan sumber daya antara orang dewasa dan keturunannya: Memindahkan larva ke dalam bentuk yang sangat berbeda memungkinkan mereka untuk makan makanan yang sangat berbeda dari orang dewasa. “Itu adalah strategi yang hebat,” kata Truman. Serangga yang mulai mengalami metamorfosis sempurna, seperti kumbang, lalat, kupu-kupu, lebah, tawon, dan semut, meledak jumlahnya.

Ketika Truman masih kecil, dia menghabiskan berjam-jam mengamati serangga melewati proses tersebut. Khususnya dengan lacewings, “Saya tertarik dengan keganasan larva versus sifat halus orang dewasa,” katanya.

Gairah masa kecilnya akhirnya berubah menjadi karier dan keluarga. Setelah menikah dengan penasihat doktoralnya, Lynn Riddiford, yang juga seorang profesor emerita di University of Washington, mereka berkeliling dunia, mengumpulkan serangga yang bermetamorfosis dan yang tidak, untuk membandingkan jalur perkembangan mereka.

Sementara Riddiford memfokuskan karyanya pada efek hormon pada metamorfosis, Truman paling tertarik pada otak. Pada tahun 1974, ia menerbitkan kertas pertama tentang apa yang terjadi pada otak selama metamorfosis, di mana dia melacak jumlah neuron motorik pada larva dan dewasa cacing tanduk. Sejak itu, banyak penelitian telah merinci berbagai neuron dan bagian otak larva dan dewasa, tetapi keduanya bersifat anekdot atau berfokus pada aspek yang sangat kecil dari proses tersebut. "Kami tidak memiliki banyak gambaran besar," kata Truman.

Truman tahu bahwa untuk benar-benar memahami apa yang terjadi pada otak, dia harus mampu melacak sel dan sirkuit individu melalui proses tersebut. Sistem saraf lalat buah menawarkan kesempatan praktis untuk melakukan itu: Meskipun sebagian besar sel tubuh larva lalat buah mati saat berubah menjadi dewasa, banyak neuron di otaknya tidak.

“Sistem saraf tidak pernah mampu mengubah caranya membuat neuron,” kata Truman. Itu sebagian karena sistem saraf pada semua serangga muncul dari serangkaian sel punca yang disebut neuroblas yang matang menjadi neuron. Proses itu lebih tua dari metamorfosis itu sendiri dan tidak mudah dimodifikasi setelah tahap perkembangan tertentu. Jadi, meskipun hampir semua sel lain dalam tubuh larva lalat buah dihilangkan, sebagian besar neuron asli didaur ulang untuk berfungsi kembali saat dewasa.

Pikiran yang Diremodel

Banyak orang membayangkan bahwa selama metamorfosis, ketika sel-sel larva mulai mati atau mengatur ulang diri mereka sendiri, tubuh serangga di dalam kepompong atau selubung eksoskeletalnya berubah menjadi sesuatu seperti sup, dengan semua sel yang tersisa meluncur dengan lancar bersama-sama. Tapi itu kurang tepat, jelas Truman. “Semuanya memiliki posisi … tetapi sangat rumit, dan jika Anda membuka hewan itu, semuanya akan meledak,” katanya.

Untuk memetakan perubahan otak dalam massa agar-agar itu, Truman dan rekan-rekannya meneliti larva lalat buah yang direkayasa secara genetik yang memiliki neuron spesifik yang bersinar hijau berpendar di bawah mikroskop. Mereka menemukan bahwa fluoresensi ini sering memudar selama metamorfosis, jadi mereka menggunakan teknik genetik mereka telah berkembang pada tahun 2015 untuk menyalakan fluoresensi merah di neuron yang sama dengan memberi serangga obat tertentu.

Ini adalah "metode yang cukup keren," kata Andreas Thum, seorang ahli saraf di Universitas Leipzig dan rekan penulis komentar dengan Gerber. Ini memungkinkan Anda untuk melihat tidak hanya satu, dua atau tiga neuron tetapi seluruh jaringan sel.

Para peneliti mengelompokkan tubuh jamur, wilayah otak yang penting untuk pembelajaran dan ingatan pada larva lalat buah dan orang dewasa. Wilayah tersebut terdiri dari sekumpulan neuron dengan ekor akson panjang yang terletak pada garis sejajar seperti senar gitar. Neuron-neuron ini berkomunikasi dengan bagian otak lainnya melalui neuron input dan output yang menjalin masuk dan keluar dari string, menciptakan jaringan koneksi yang memungkinkan serangga mengasosiasikan bau dengan pengalaman baik atau buruk. Jaringan ini disusun dalam kompartemen komputasi yang berbeda, seperti ruang antara fret pada gitar. Setiap kompartemen memiliki tugas, seperti memandu lalat menuju atau menjauhi sesuatu.

Truman dan timnya menemukan bahwa ketika larva mengalami metamorfosis, hanya tujuh dari 10 kompartemen saraf yang dimasukkan ke dalam tubuh jamur dewasa. Dalam ketujuh itu, beberapa neuron mati, dan beberapa dirombak untuk melakukan fungsi dewasa yang baru. Semua koneksi antara neuron di tubuh jamur dan neuron input dan outputnya dibubarkan. Pada tahap transformasi ini, “ini semacam situasi Buddhis terakhir di mana Anda tidak memiliki input, Anda tidak memiliki output,” kata Gerber. "Hanya aku, aku dan aku."

Neuron input dan output di tiga kompartemen larva yang tidak dimasukkan ke dalam tubuh jamur dewasa benar-benar melepaskan identitas lamanya. Mereka meninggalkan tubuh jamur dan berintegrasi ke sirkuit otak baru di tempat lain di otak orang dewasa. "Anda tidak akan tahu bahwa mereka adalah neuron yang sama, kecuali bahwa kami telah dapat mengikuti mereka secara genetik dan anatomis," kata Truman.

Para peneliti menyarankan bahwa neuron yang bergerak ini hanyalah tamu sementara di tubuh jamur larva, mengambil fungsi larva yang diperlukan untuk sementara waktu tetapi kemudian kembali ke tugas leluhurnya di otak orang dewasa. Itu sesuai dengan gagasan bahwa otak orang dewasa adalah bentuk leluhur yang lebih tua dalam garis keturunan dan otak larva yang lebih sederhana adalah bentuk turunan yang muncul jauh kemudian.

Selain neuron larva yang telah direnovasi, banyak neuron baru lahir saat larva tumbuh. Neuron-neuron ini tidak digunakan oleh larva, tetapi pada metamorfosis mereka matang menjadi neuron input dan output untuk sembilan kompartemen komputasi baru yang spesifik dewasa.

Tubuh jamur pada larva terlihat sangat mirip dengan versi dewasa, kata Thum, tetapi “pengkabelannya sangat intens.” Seolah-olah input dan output dari mesin komputasi semuanya terganggu tetapi entah bagaimana masih mempertahankan fungsionalitas nirkabelnya, kata Gerber. “Sepertinya Anda sengaja mencabut dan memasang kembali” mesin.

Hasilnya, tubuh jamur otak orang dewasa “pada dasarnya… merupakan struktur yang benar-benar baru,” kata K. Vijay Raghavan, seorang profesor emeritus dan mantan direktur Pusat Ilmu Biologi Nasional India yang merupakan editor utama makalah ini dan tidak terlibat dalam penelitian tersebut. Tidak ada indikasi anatomi bahwa ingatan bisa bertahan, tambahnya.

Kerapuhan Memori

Para peneliti sangat tertarik dengan pertanyaan apakah ingatan larva dapat dibawa ke serangga dewasa, kata Williams, tetapi jawabannya belum jelas.

Jenis ingatan yang hidup di tubuh jamur lalat buah adalah ingatan asosiatif, jenis yang menghubungkan dua hal yang berbeda bersama-sama — jenis ingatan yang membuat anjing Pavlov mengeluarkan air liur saat mendengar bel, misalnya. Untuk lalat buah, ingatan asosiatif biasanya melibatkan bau, dan mereka memandu lalat menuju atau menjauhi sesuatu.

Namun, kesimpulan mereka bahwa ingatan asosiatif tidak dapat bertahan mungkin tidak berlaku untuk semua spesies. Larva kupu-kupu dan kumbang, misalnya, menetas dengan sistem saraf yang lebih kompleks dan lebih banyak neuron daripada yang dimiliki larva lalat buah. Karena sistem saraf mereka mulai lebih rumit, mereka mungkin tidak perlu terlalu sering dibentuk ulang.

Studi sebelumnya telah menemukan bukti bahwa jenis ingatan lain dapat bertahan pada beberapa spesies. Sebagai contoh, Gerber menjelaskan, pengamatan dan percobaan menunjukkan bahwa banyak spesies serangga menunjukkan preferensi untuk bereproduksi pada jenis tanaman yang sama di mana mereka dewasa: Larva yang lahir dan dibesarkan di pohon apel kemudian cenderung bertelur di pohon apel saat dewasa. “Jadi orang bertanya-tanya bagaimana hubungan kedua jenis pengamatan ini,” katanya. Bagaimana preferensi ini terbawa jika kenangan tidak? Salah satu kemungkinannya adalah ingatan asosiatif tidak terbawa, tetapi jenis ingatan lain yang disimpan di bagian lain otak bisa terbawa, katanya.

Data tersebut menawarkan peluang untuk membandingkan perkembangan sistem saraf pada hewan yang bermetamorfosis dan yang tidak. Sistem saraf serangga telah cukup terkonservasi selama evolusi sehingga para peneliti dapat menunjukkan dengan tepat neuron yang setara pada spesies yang berkembang langsung seperti jangkrik dan belalang. Perbandingan di antara mereka dapat menjawab pertanyaan seperti bagaimana sel individu berubah dari memiliki identitas tunggal menjadi banyak. Ini adalah "alat komparatif yang sangat kuat," kata Williams.

Thum berpikir akan menarik untuk melihat apakah spesies serangga yang hidup di lingkungan yang berbeda mungkin berbeda dalam cara otak mereka diatur ulang, dan apakah ingatan dapat bertahan di salah satu dari mereka. Gerber ingin tahu apakah mekanisme seluler dalam metamorfosis serangga sama pada hewan lain yang mengalami variasi proses, seperti kecebong yang menjadi katak atau makhluk mirip hydra yang tidak bergerak yang menjadi ubur-ubur. "Anda bahkan mungkin cukup gila untuk bertanya-tanya apakah kita harus melihat pubertas sebagai semacam metamorfosis," katanya.

Truman dan timnya sekarang berharap untuk menyelam ke tingkat molekuler untuk melihat gen mana yang memengaruhi pematangan dan evolusi sistem saraf. Pada tahun 1971, para peneliti berhipotesis dalam sebuah makalah teoretis bahwa trio gen mengarahkan proses metamorfosis serangga, sebuah gagasan yang dikonfirmasi lebih lanjut oleh Riddiford dan Truman dalam sebuah kertas 2022. Tetapi mekanisme di balik bagaimana gen ini bekerja untuk merombak tubuh dan otak masih belum jelas.

Tujuan utama Truman adalah membujuk neuron untuk mengambil bentuk dewasanya di otak larva. Berhasil meretas proses mungkin berarti kita benar-benar memahami bagaimana serangga ini menciptakan banyak identitas sepanjang waktu.

Tidak diketahui seperti apa pola reorganisasi di tempat lain di otak. Tetapi kemungkinan beberapa aspek kapasitas mental lalat buah dan tanggapannya terhadap dunia, disadari atau tidak, dibentuk oleh kehidupan larvanya, kata Truman. “Tantangannya adalah mencoba mencari tahu sifat dan tingkat efek ini.”