I cervelli degli insetti si sciolgono e si ricollegano durante la metamorfosi | Rivista Quanta

Nelle calde notti estive, i merletti verdi svolazzano intorno alle lanterne luminose nei cortili e nei campeggi. Gli insetti, con le loro ali simili a veli, sono facilmente distratti dalla loro naturale preoccupazione di sorseggiare il nettare dei fiori, evitare i pipistrelli predatori e riprodursi. Piccole grinfie delle uova che depongono pendono da lunghi steli sul lato inferiore delle foglie e ondeggiano come luci fatate nel vento.

Gli insiemi pendenti di uova sono belli ma anche pratici: impediscono alle larve che si schiudono di mangiare immediatamente i loro fratelli non schiusi. Con mascelle a forma di falce che trafiggono la loro preda e la risucchiano, le larve lacewing sono "viziose", ha detto Giacomo Truman, professore emerito di sviluppo, biologia cellulare e molecolare presso l'Università di Washington. "È come 'La bella e la bestia' in un animale."

Questa dicotomia Jekyll-e-Hyde è resa possibile dalla metamorfosi, il fenomeno più noto per trasformare i bruchi in farfalle. Nella sua versione più estrema, metamorfosi completa, le forme giovanili e adulte sembrano e si comportano come specie totalmente diverse. La metamorfosi non è un'eccezione nel regno animale; è quasi una regola. Più di 80% delle specie animali conosciute oggi, principalmente insetti, anfibi e invertebrati marini, subiscono qualche forma di metamorfosi o hanno cicli vitali complessi e multistadio.

Il processo di metamorfosi presenta molti misteri, ma alcuni dei più profondamente sconcertanti riguardano il sistema nervoso. Al centro di questo fenomeno c'è il cervello, che deve codificare non una ma molteplici identità diverse. Dopotutto, la vita di un insetto volante in cerca di compagno è molto diversa da quella di un bruco affamato. Nell'ultimo mezzo secolo, i ricercatori hanno sondato la questione di come una rete di neuroni che codifica un'identità - quella di un bruco affamato o di una larva omicida lacewing - si sposti per codificare un'identità adulta che comprende un insieme completamente diverso di comportamenti e bisogni .

Truman e il suo team hanno ora imparato quanto la metamorfosi rimescoli parti del cervello. In uno studio recente pubblicato sulla rivista eLife, hanno rintracciato dozzine di neuroni nel cervello dei moscerini della frutta in fase di metamorfosi. Hanno scoperto che, a differenza del tormentato protagonista del racconto di Franz Kafka “La metamorfosi”, che un giorno si risveglia come un mostruoso insetto, gli insetti adulti probabilmente non ricordano molto della loro vita larvale. Sebbene molti dei neuroni larvali nello studio abbiano resistito, la parte del cervello dell'insetto che il gruppo di Truman ha esaminato è stata drammaticamente ricablata. Quella revisione delle connessioni neurali rispecchiava un cambiamento altrettanto drammatico nel comportamento degli insetti mentre passavano da larve striscianti e affamate ad adulti volanti e in cerca di compagni.

Le loro scoperte sono "l'esempio più dettagliato fino ad oggi" di ciò che accade al cervello di un insetto in fase di metamorfosi, ha detto Deniz Erezyilmaz, uno scienziato ricercatore post-dottorato presso il Centro per i circuiti neurali e il comportamento dell'Università di Oxford che lavorava nel laboratorio di Truman ma non era coinvolto in questo lavoro. I risultati potrebbero applicarsi a molte altre specie sulla Terra, ha aggiunto.

Oltre a descrivere in dettaglio come un cervello larvale matura in un cervello adulto, il nuovo studio fornisce indizi su come l'evoluzione abbia fatto sì che lo sviluppo di questi insetti prendesse una deviazione così selvaggia. "È un pezzo monumentale", ha detto Bertram Gerber, un neuroscienziato comportamentale del Leibniz Institute for Neurobiology che non è stato coinvolto nello studio ma è coautore di un commento relativo per eLife. "È davvero il culmine di 40 anni di ricerca sul campo".

"Lo chiamo 'The Paper' in maiuscolo", ha detto Darren Williams, un ricercatore in neurobiologia dello sviluppo al King's College di Londra che non è stato coinvolto nello studio ma è un collaboratore di lunga data di Truman. "Sarà di fondamentale importanza... per molte domande."

Una deviazione sulla via dell'età adulta

I primi insetti 480 milioni di anni fa emersero da uova che assomigliavano molto a versioni più piccole del loro sé adulto, oppure continuarono il loro "sviluppo diretto" per avvicinarsi costantemente alla loro forma adulta, proprio come fanno oggi le cavallette, i grilli e alcuni altri insetti. La metamorfosi completa sembra essersi verificata negli insetti solo circa 350 milioni di anni fa, prima dei dinosauri.

La maggior parte dei ricercatori ora ritiene che la metamorfosi si sia evoluta per ridurre la competizione per le risorse tra gli adulti e la loro prole: lo smistamento delle larve in una forma molto diversa ha permesso loro di mangiare cibi molto diversi rispetto agli adulti. "È stata una grande strategia", ha detto Truman. Gli insetti che iniziarono a subire una metamorfosi completa, come coleotteri, mosche, farfalle, api, vespe e formiche, esplosero di numero.

Quando Truman era bambino, passava ore a guardare gli insetti durante il processo. Con i merletti in particolare, "ero incuriosito dalla ferocia della larva contro la delicata natura dell'adulto", ha detto.

La sua passione d'infanzia alla fine si è trasformata in una carriera e in una famiglia. Dopo aver sposato il suo consulente di dottorato, Lynn Riddiford, che è anche professore emerito all'Università di Washington, hanno girato il mondo, raccogliendo insetti che si trasformano e altri che non lo fanno, per confrontare i loro percorsi di sviluppo.

Mentre Riddiford concentrava il suo lavoro sull'effetto degli ormoni sulla metamorfosi, Truman era più interessata al cervello. Nel 1974 pubblica il primo foglio su ciò che accade al cervello durante la metamorfosi, per la quale ha monitorato il numero di motoneuroni nelle larve e negli adulti di hornworm. Da allora, numerosi studi hanno dettagliato diversi neuroni e parti del cervello di larve e adulti, ma sono aneddotici o focalizzati su aspetti molto piccoli del processo. "Non avevamo un quadro molto ampio", ha detto Truman.

Truman sapeva che per capire davvero cosa sta succedendo al cervello, doveva essere in grado di tracciare singole cellule e circuiti attraverso il processo. Il sistema nervoso di un moscerino della frutta ha offerto un'opportunità pratica per farlo: sebbene la maggior parte delle cellule del corpo della larva del moscerino della frutta muoia mentre si trasforma in un adulto, molti dei neuroni nel suo cervello non lo fanno.

"Il sistema nervoso non è mai stato in grado di cambiare il modo in cui produce i neuroni", ha detto Truman. Ciò è in parte dovuto al fatto che il sistema nervoso di tutti gli insetti nasce da una serie di cellule staminali chiamate neuroblasti che maturano in neuroni. Quel processo è più antico della metamorfosi stessa e non si modifica facilmente dopo un certo stadio di sviluppo. Quindi, anche se quasi tutte le altre cellule nel corpo larvale del moscerino della frutta vengono eliminate, la maggior parte dei neuroni originali viene riciclata per funzionare di nuovo nell'adulto.

La mente rimodellata

Molte persone immaginano che durante la metamorfosi, quando le cellule larvali iniziano a morire o a riorganizzarsi, il corpo dell'insetto all'interno del suo bozzolo o involucro esoscheletrico si trasformi in qualcosa di simile a una zuppa, con tutte le cellule rimanenti che scivolano fluidamente insieme. Ma non è del tutto corretto, ha spiegato Truman. "Ogni cosa ha una posizione... ma è davvero delicata, e se apri l'animale, tutto esplode", ha detto.

Per mappare i cambiamenti cerebrali in quella massa gelatinosa, Truman e i suoi colleghi hanno esaminato le larve di moscerino della frutta geneticamente modificate che avevano neuroni specifici che brillavano di un verde fluorescente al microscopio. Hanno scoperto che questa fluorescenza spesso svaniva durante la metamorfosi, quindi hanno usato una tecnica genetica si erano sviluppate nel 2015 per attivare una fluorescenza rossa negli stessi neuroni somministrando agli insetti un particolare farmaco.

È un "metodo piuttosto interessante", ha detto Andrea Thum, neuroscienziato dell'Università di Lipsia e coautore del commento con Gerber. Ti permette di guardare non solo uno, due o tre neuroni ma un'intera rete di cellule.

I ricercatori si sono concentrati sul corpo del fungo, una regione del cervello fondamentale per l'apprendimento e la memoria nelle larve e negli adulti del moscerino della frutta. La regione è costituita da un gruppo di neuroni con lunghe code assonali che giacciono in linee parallele come le corde di una chitarra. Questi neuroni comunicano con il resto del cervello attraverso neuroni di input e output che si intrecciano dentro e fuori le stringhe, creando una rete di connessioni che consentono all'insetto di associare gli odori a esperienze positive o negative. Queste reti sono disposte in compartimenti computazionali distinti, come gli spazi tra i tasti della chitarra. Ogni compartimento ha un compito, come guidare una mosca verso o allontanarsi da qualcosa.

Truman e il suo team hanno scoperto che quando le larve subiscono la metamorfosi, solo sette dei loro 10 compartimenti neurali vengono incorporati nel corpo del fungo adulto. All'interno di quei sette, alcuni neuroni muoiono e alcuni vengono rimodellati per svolgere nuove funzioni adulte. Tutte le connessioni tra i neuroni nel corpo del fungo ei loro neuroni di ingresso e di uscita vengono dissolte. In questa fase di trasformazione, "è una specie di questa situazione buddista definitiva in cui non hai input, non hai output", ha detto Gerber. "Siamo solo io, me stesso e io."

I neuroni di ingresso e uscita nei tre compartimenti larvali che non vengono incorporati nel corpo del fungo adulto perdono completamente le loro vecchie identità. Lasciano il corpo del fungo e si integrano in nuovi circuiti cerebrali altrove nel cervello adulto. "Non sapresti che erano gli stessi neuroni, tranne per il fatto che siamo stati in grado di seguirli sia geneticamente che anatomicamente", ha detto Truman.

I ricercatori suggeriscono che questi neuroni in movimento sono solo ospiti temporanei nel corpo del fungo larvale, assumendo le funzioni larvali necessarie per un po', ma poi ritornano ai loro compiti ancestrali nel cervello adulto. Ciò è in linea con l'idea che il cervello adulto è la forma più antica e ancestrale all'interno del lignaggio e il cervello larvale più semplice è una forma derivata che è arrivata molto più tardi.

Oltre ai neuroni larvali rimodellati, molti nuovi neuroni nascono man mano che la larva cresce. Questi neuroni non sono utilizzati dalla larva, ma alla metamorfosi maturano per diventare neuroni di input e output per nove nuovi compartimenti computazionali specifici per l'adulto.

Il corpo del fungo nella larva sembra molto simile alla versione adulta, ha detto Thum, ma "il ricablaggio è davvero intenso". È come se gli input e gli output di una macchina computazionale venissero tutti interrotti ma in qualche modo mantenessero la loro funzionalità wireless, ha affermato Gerber. "È quasi come se volessi scollegare e ricollegare deliberatamente" la macchina.

Di conseguenza, il corpo fungo del cervello adulto è "fondamentalmente... una struttura completamente nuova", ha affermato K. Vijay Raghavan, professore emerito ed ex direttore del Centro nazionale indiano per le scienze biologiche, che era il principale editore del giornale e non era coinvolto nello studio. Non vi è alcuna indicazione anatomica che i ricordi possano essere sopravvissuti, ha aggiunto.

La fragilità della memoria

I ricercatori sono stati entusiasti di questa domanda se i ricordi di una larva possono essere trasmessi all'insetto adulto, ha detto Williams, ma la risposta non è stata chiara.

I tipi di ricordi che vivono nel corpo a forma di fungo di un moscerino della frutta sono ricordi associativi, il tipo che collega insieme due cose diverse: il tipo di ricordo che ha fatto venire l'acquolina in bocca ai cani di Pavlov al suono di una campana, per esempio. Per il moscerino della frutta, i ricordi associativi in ​​genere coinvolgono gli odori e guidano il moscerino verso o lontano da qualcosa.

Tuttavia, la loro conclusione che i ricordi associativi non possono sopravvivere potrebbe non essere vera per tutte le specie. Le larve di farfalle e scarafaggi, ad esempio, si schiudono con sistemi nervosi più complessi e più neuroni rispetto alle larve di moscerini della frutta. Poiché i loro sistemi nervosi iniziano più complicati, potrebbero non dover essere rimodellati così tanto.

Precedenti studi hanno trovato prove che altri tipi di ricordi possono persistere in alcune specie. Ad esempio, ha spiegato Gerber, osservazioni ed esperimenti suggeriscono che molte specie di insetti mostrano una preferenza per la riproduzione sugli stessi tipi di piante in cui sono maturate: le larve nate e cresciute sui meli in seguito tendono a deporre le uova sui meli da adulti. "Quindi ci si chiede come si colleghino questi due tipi di osservazioni", ha detto. Come si trasferiscono queste preferenze se i ricordi no? Una possibilità è che i ricordi associativi non si trasferiscano, ma altri tipi di ricordi ospitati in altre parti del cervello lo fanno, ha detto.

I dati offrono l'opportunità di confrontare lo sviluppo del sistema nervoso negli animali che si trasformano e quelli che non lo fanno. Il sistema nervoso degli insetti è stato conservato abbastanza durante l'evoluzione che i ricercatori possono individuare neuroni equivalenti in specie a sviluppo diretto come grilli e cavallette. I confronti tra di loro possono rispondere a domande come il modo in cui le singole celle sono cambiate dall'avere identità singole a identità multiple. È "uno strumento comparativo incredibilmente potente", ha detto Williams.

Thum pensa che sarebbe interessante vedere se le specie di insetti che vivono in ambienti diversi potrebbero variare nel modo in cui i loro cervelli vengono riorganizzati e se i ricordi possono sopravvivere in ognuno di essi. Gerber è curioso di vedere se i meccanismi cellulari nella metamorfosi degli insetti sono gli stessi in altri animali che subiscono variazioni del processo, come girini che diventano rane o creature immobili simili a idra che diventano meduse. "Potresti anche essere abbastanza pazzo da chiederti se dovremmo considerare la pubertà come una sorta di metamorfosi", ha detto.

Truman e il suo team sperano ora di scendere a livello molecolare per vedere quali geni influenzano la maturazione e l'evoluzione del sistema nervoso. Nel 1971, i ricercatori hanno ipotizzato in un articolo teorico che un trio di geni dirige il processo di metamorfosi degli insetti, un'idea che Riddiford e Truman hanno ulteriormente confermato in un carta 2022. Ma i meccanismi alla base del modo in cui questi geni lavorano per rimodellare il corpo e il cervello rimangono poco chiari.

L'obiettivo finale di Truman è convincere un neurone ad assumere la sua forma adulta nel cervello larvale. L'hacking riuscito del processo potrebbe significare che comprendiamo veramente come questi insetti creano identità multiple nel tempo.

Non si sa quali sarebbero i modelli di riorganizzazione altrove nel cervello. Ma è probabile che alcuni aspetti delle capacità mentali e delle risposte del moscerino della frutta al mondo, consapevoli o meno, siano modellati dalla sua vita larvale, ha detto Truman. "La sfida sta nel cercare di scoprire la natura e l'entità di questi effetti".