מוחות חרקים נמסים וחוטים מחדש במהלך מטמורפוזה | מגזין קוונטה

בלילות הקיץ החמים, כנפי תחרה ירוקות מתנופפות סביב פנסים בהירים בחצרות האחוריות ובאתרי קמפינג. החרקים, עם כנפיהם דמויי הצעיף, מוסחים בקלות מהעיסוק הטבעי שלהם בלגימת צוף פרחים, הימנעות מעטלפים טורפים והתרבות. מצמדים קטנים של הביצים שהם מטילים תלויים על גבעולים ארוכים על הצד התחתון של העלים ומתנדנדים כמו אורות פיות ברוח.

הרכבי הביצים המשתלשלים יפים אך גם פרקטיים: הם מונעים מהזחלים הבוקעים לאכול מיד את אחיהם שלא בקעו. עם לסתות דמויות מגל שמנקרות את טרפם ומוצצות אותם יבשים, זחלים שרוטים הם "מרושעים", אמרו. ג'יימס טרומן, פרופסור אמריטוס לפיתוח, תאים וביולוגיה מולקולרית באוניברסיטת וושינגטון. "זה כמו 'היפה והחיה' בחיה אחת."

הדיכוטומיה של ג'קיל-אנד-הייד מתאפשרת על ידי מטמורפוזה, התופעה הידועה ביותר בהפיכת זחלים לפרפרים. בגרסה הקיצונית ביותר שלה, מטמורפוזה מלאה, הצורות הצעירות והבוגרות נראים ומתנהגים כמו מינים שונים לחלוטין. מטמורפוזה אינה יוצאת דופן בממלכת החיות; זה כמעט כלל. יותר מ- 80% ממיני בעלי החיים המוכרים כיום, בעיקר חרקים, דו-חיים וחסרי חוליות ימיים, עוברים צורה כלשהי של מטמורפוזה או בעלי מחזורי חיים מורכבים מרובי שלבים.

תהליך המטמורפוזה מציג תעלומות רבות, אך כמה מהתמוהים ביותר מתרכזים במערכת העצבים. במרכזה של תופעה זו עומד המוח, שעליו לקודד לא אחת אלא למספר זהויות שונות. אחרי הכל, חייו של חרק מעופף ומחפש בן זוג שונים מאוד מחייו של זחל רעב. במשך חצי המאה האחרונה, חוקרים בדקו את השאלה כיצד רשת של נוירונים המקודדת זהות אחת - זו של זחל רעב או זחל שרוך רצחני - עוברת כדי לקודד זהות בוגרת שמקיפה מערך שונה לחלוטין של התנהגויות וצרכים. .

טרומן וצוותו למדו כעת עד כמה מטמורפוזה מערבבת חלקים במוח. ב מחקר שנערך לאחרונה שפורסם בכתב העת eLife, הם עקבו אחר עשרות נוירונים במוחם של זבובי פירות שעוברים מטמורפוזה. הם גילו שבניגוד לגיבור המיוסר של סיפורו הקצר של פרנץ קפקא "המטמורפוזה", שמתעורר יום אחד כחרק מפלצתי, חרקים בוגרים כנראה לא יכולים לזכור הרבה מחיי הזחל שלהם. למרות שרבים מהנוירונים הזחלים במחקר החזיקו מעמד, החלק במוח החרקים שקבוצתו של טרומן בדקה חווט מחדש באופן דרמטי. שיפוץ זה של קשרים עצביים שיקף שינוי דרמטי דומה בהתנהגותם של החרקים כשהם השתנו מזחלים זוחלים ורעבים למבוגרים מעופפים ומחפשי זוג.

הממצאים שלהם הם "הדוגמה המפורטת ביותר עד כה" למה שקורה למוחו של חרק שעובר מטמורפוזה, אמרו. דניז ארזיילמאז, מדען פוסט-דוקטורט במרכז למעגלים עצביים והתנהגות של אוניברסיטת אוקספורד, שעבד בעבר במעבדה של טרומן אך לא היה מעורב בעבודה זו. התוצאות עשויות לחול על מינים רבים אחרים על פני כדור הארץ, היא הוסיפה.

מעבר לפרט כיצד מוח זחל מתבגר למוח בוגר, המחקר החדש מספק רמזים לאופן שבו האבולוציה גרמה להתפתחותם של החרקים הללו לבצע מעקף פראי שכזה. "זה יצירה מונומנטלית," אמר ברטרם גרבר, מדען מוח התנהגותי במכון לייבניץ לנוירוביולוגיה שלא היה מעורב במחקר אך היה שותף למחבר פרשנות קשורה ל eLife. "זהו באמת השיא של 40 שנות מחקר בתחום."

"אני קורא לזה 'העיתון' באותיות גדולות", אמר דארן וויליאמס, חוקר בנוירוביולוגיה התפתחותית בקינגס קולג' בלונדון, שלא היה מעורב במחקר אך הוא משתף פעולה ותיק של טרומן. "זה יהיה חשוב מהיסוד... עבור הרבה שאלות."

מעקף בדרך לבגרות

החרקים המוקדמים ביותר לפני 480 מיליון שנה הגיחו מביצים שנראו כמו גרסאות קטנות יותר של האני הבוגר שלהם, או שהם המשיכו ב"התפתחות הישירה" שלהם כדי להתקרב בהתמדה לצורתם הבוגרת, בדיוק כמו שחגבים, צרצרים וכמה חרקים אחרים עושים היום. נראה כי מטמורפוזה מלאה נוצרה בחרקים רק לפני כ-350 מיליון שנה, לפני הדינוזאורים.

רוב החוקרים מאמינים כעת שהמטמורפוזה התפתחה כדי להפחית את התחרות על משאבים בין מבוגרים לצאצאיהם: העברת הזחלים לצורה שונה מאוד אפשרה להם לאכול מזונות שונים מאוד ממה שעשו המבוגרים. "זו הייתה אסטרטגיה נהדרת", אמר טרומן. חרקים שהחלו לעבור מטמורפוזה מוחלטת, כמו חיפושיות, זבובים, פרפרים, דבורים, צרעות ונמלים, התפוצצו במספרם.

כשטרומן היה ילד, הוא בילה שעות בצפייה בחרקים שעוברים את התהליך. עם כנפי השרוכים במיוחד, "הסתקרנתי מהאכזריות של הזחל לעומת הטבע העדין של המבוגר", אמר.

תשוקת הילדות שלו הפכה בסופו של דבר לקריירה ולמשפחה. לאחר שנישא ליועץ הדוקטורט שלו, לין רידיפורד, שהוא גם פרופסור אמריטה באוניברסיטת וושינגטון, הם טיילו בעולם, אספו חרקים שעושים מטמורפוזה ואחרים שלא, כדי להשוות את נתיבי ההתפתחות שלהם.

בעוד רידיפורד מיקדה את עבודתה בהשפעת ההורמונים על המטמורפוזה, טרומן התעניין בעיקר במוח. ב-1974 פרסם העיתון הראשון על מה שקורה למוח במהלך המטמורפוזה, שבגללה הוא עקב אחר מספר הנוירונים המוטוריים בזחלים של תולעי קרן ובמבוגרים. מאז, מחקרים רבים פירטו נוירונים שונים וחלקים במוחם של זחלים ומבוגרים, אך הם אנקדוטליים או מתמקדים בהיבטים קטנים מאוד של התהליך. "לא הייתה לנו תמונה גדולה", אמר טרומן.

טרומן ידע שכדי להבין באמת מה קורה למוח, עליו להיות מסוגל לעקוב אחר תאים ומעגלים בודדים במהלך התהליך. מערכת העצבים של זבוב הפירות הציעה הזדמנות מעשית לעשות זאת: למרות שרוב תאי הגוף של זחל זבוב הפירות מתים כשהוא הופך למבוגר, רבים מהנוירונים במוחו אינם עושים זאת.

"מערכת העצבים מעולם לא הצליחה לשנות את הדרך שבה היא מייצרת נוירונים", אמר טרומן. זה בין השאר בגלל שמערכת העצבים בכל החרקים נובעת ממערך של תאי גזע הנקראים נוירובלסטים שמתבגרים לנוירונים. תהליך זה ישן יותר מהמטמורפוזה עצמה ואינו משתנה בקלות לאחר שלב מסוים של התפתחות. אז אפילו כשכמעט כל שאר התאים בגוף הזחל של זבוב הפירות מחוסלים, רוב הנוירונים המקוריים ממוחזרים כדי לתפקד מחדש אצל המבוגר.

המוח המחודש

אנשים רבים מדמיינים שבמהלך המטמורפוזה, כאשר תאי הזחל מתחילים למות או להתארגן מחדש, גופו של החרק בתוך הפקעת שלו או המעטפת החיצונית שלו הופך למשהו כמו מרק, כאשר כל התאים הנותרים מחליקים יחד. אבל זה לא ממש נכון, הסביר טרומן. "לכל דבר יש עמדה... אבל זה ממש עדין, ואם אתה פותח את החיה, הכל פשוט מתפוצץ", אמר.

כדי למפות את השינויים המוחיים במסה הג'לטינית הזו, טרומן ועמיתיו בדקו בקפדנות את זחלי זבובי הפירות שעברו הנדסה גנטית שיש להם נוירונים ספציפיים שהאירו בירוק ניאון מתחת למיקרוסקופ. הם גילו כי הקרינה הזו נמוגה לעתים קרובות במהלך המטמורפוזה, אז הם השתמשו בטכניקה גנטית הם התפתחו בשנת 2015 להפעיל פלואורסצנטי אדום באותם נוירונים על ידי מתן תרופה מסוימת לחרקים.

זו "שיטה די מגניבה", אמר אנדראס ת'ום, מדען מוח באוניברסיטת לייפציג ומחבר שותף של הפרשנות עם גרבר. זה מאפשר לך להסתכל לא רק על אחד, שניים או שלושה נוירונים אלא רשת שלמה של תאים.

החוקרים קבעו אזור בגוף הפטרייה, אזור במוח קריטי ללמידה ולזיכרון אצל זחלי זבובי פירות ומבוגרים. האזור מורכב מחבורת נוירונים עם זנבות אקסונליים ארוכים השוכנים בקווים מקבילים כמו מיתרים של גיטרה. נוירונים אלו מתקשרים עם שאר המוח באמצעות נוירוני קלט ופלט הנארגים אל תוך המיתרים ומחוצה להם, ויוצרים רשת של קשרים המאפשרים לחרק לקשר ריחות לחוויות טובות או רעות. רשתות אלו מסודרות בתאים חישוביים נפרדים, כמו הרווחים בין הלחצים בגיטרה. לכל תא יש משימה, כמו הנחיית זבוב לכיוון או הרחק ממנו.

טרומן וצוותו גילו שכאשר הזחלים עוברים מטמורפוזה, רק שבעה מתוך 10 התאים העצביים שלהם משולבים בגוף הפטרייה הבוגרת. בתוך שבעה אלה, חלק מהנוירונים מתים, וחלקם משופצים לביצוע פונקציות חדשות של מבוגרים. כל הקשרים בין הנוירונים בגוף הפטרייה לבין נוירוני הקלט והפלט שלהם מתמוססים. בשלב השינוי הזה, "זה סוג של המצב הבודהיסטי האולטימטיבי הזה שבו אין לך תשומות, אין לך תפוקות," אמר גרבר. "זה רק אני עצמי ואנוכי."

נוירוני הקלט והפלט בשלושת תאים הזחלים שאינם משולבים בגוף הפטריות הבוגר משילים לחלוטין את זהותם הישנה. הם עוזבים את גוף הפטרייה ומשתלבים במעגלי מוח חדשים במקומות אחרים במוח הבוגר. "לא היית יודע שהם אותם נוירונים, חוץ מזה שהצלחנו לעקוב אחריהם גם מבחינה גנטית וגם מבחינה אנטומית", אמר טרומן.

החוקרים מציעים כי הנוירונים העוברים ממקום למקום הם אורחים זמניים בלבד בגוף פטריות הזחל, המקבלים על עצמם תפקודים נחוצים של הזחל לזמן מה, אך לאחר מכן חוזרים למשימות האבות שלהם במוח הבוגר. זה תואם את הרעיון שהמוח הבוגר הוא הצורה הקדמונית הישנה יותר בתוך השושלת והמוח הזחל הפשוט יותר הוא צורה נגזרת שהגיעה הרבה יותר מאוחר.

בנוסף לנוירונים הזחלים המחודשים, נוירונים חדשים רבים נולדים כשהזחל גדל. הנוירונים הללו אינם משמשים את הזחל, אך בעת מטמורפוזה הם מבשילים להפוך לנוירוני קלט ופלט עבור תשעה תאים חישוביים חדשים שהם ספציפיים למבוגרים.

גוף הפטרייה בזחל נראה דומה מאוד לגרסה הבוגרת, אמר ת'ום, אבל "החיווט מחדש הוא ממש אינטנסיבי." זה כאילו שהכניסות והיציאות של מכונת חישוב כולן השתבשו אבל עדיין איכשהו שמרו על הפונקציונליות האלחוטית שלהן, אמר גרבר. "זה כמעט כאילו היית מנתק ומחבר מחדש את המכונה בכוונה.

כתוצאה מכך, גוף הפטרייה של המוח הבוגר הוא "ביסודו... מבנה חדש לחלוטין", אמר K. VijayRaghavan, פרופסור אמריטוס ומנהל לשעבר של המרכז הלאומי למדעי הביולוגיה של הודו שהיה העורך הראשי של העיתון ולא היה מעורב במחקר. אין שום אינדיקציה אנטומית לכך שזיכרונות היו יכולים לשרוד, הוא הוסיף.

השבריריות של הזיכרון

חוקרים התלהבו מהשאלה הזו האם זיכרונותיו של הזחל יכולים לעבור לחרק הבוגר, אמר וויליאמס, אבל התשובה לא הייתה ברורה.

סוגי הזיכרונות שחיים בגוף הפטרייה של זבוב הפירות הם זיכרונות אסוציאטיביים, מהסוג שמקשר בין שני דברים שונים זה לזה - סוג הזיכרון שהותיר את כלביו של פבלוב ריר בקול פעמון, למשל. עבור זבוב הפירות, זיכרונות אסוציאטיביים כוללים בדרך כלל ריחות, והם מנחים את הזבוב לעבר משהו או הרחק ממנו.

עם זאת, המסקנה שלהם שזיכרונות אסוציאטיביים לא יכולים לשרוד עשויה להיות לא נכונה עבור כל המינים. זחלי פרפרים וחיפושיות, למשל, בוקעים עם מערכת עצבים מורכבת יותר ויותר נוירונים ממה שיש לזחלים של זבובי הפירות. מכיוון שמערכות העצבים שלהם מתחילות מסובכות יותר, ייתכן שלא יהיה צורך לעצב אותן מחדש באותה מידה.

מחקרים קודמים מצאו עדויות לכך שסוגים אחרים של זיכרונות יכולים להימשך במינים מסוימים. לדוגמה, הסביר גרבר, תצפיות וניסויים מצביעים על כך שמינים רבים של חרקים מראים העדפה להתרבות על אותם סוגי צמחים שבהם הם התבגרו: זחלים שנולדו וגדלים על עצי תפוח נוטים מאוחר יותר להטיל ביצים על עצי תפוח כבוגרים. "אז אפשר לתהות איך שני סוגי התצפיות האלה קשורים", אמר. איך ההעדפות האלה עוברות אם זיכרונות לא? אפשרות אחת היא שזיכרונות אסוציאטיביים לא עוברים, אבל סוגים אחרים של זיכרונות שנמצאים בחלקים אחרים של המוח כן, הוא אמר.

הנתונים מציעים הזדמנויות להשוות את התפתחותן של מערכות העצבים בבעלי חיים שעוברים מטמורפוזה ואלו שלא. מערכת העצבים של חרקים נשמרה מספיק במהלך האבולוציה כדי שחוקרים יוכלו לאתר נוירונים שווים במינים המתפתחים ישירות כמו צרצרים וחגבים. השוואות ביניהם יכולות לענות על שאלות כמו כיצד השתנו תאים בודדים מבעלי זהויות בודדות למספר זהויות. זה "כלי השוואתי חזק להפליא", אמר וויליאמס.

Thum חושב שיהיה מעניין לראות אם מיני חרקים החיים בסביבות שונות עשויים להשתנות באופן שבו מוחותיהם מסודרים מחדש, והאם זיכרונות יכולים לשרוד בכל אחד מהם. גרבר סקרן לראות האם המנגנונים התאיים במטמורפוזה של חרקים זהים בבעלי חיים אחרים שעוברים וריאציות של התהליך, כמו ראשנים שהופכים לצפרדעים או יצורים דמויי הידרה חסרי תנועה שהופכים למדוזות. "ייתכן שאתה אפילו משוגע מספיק כדי לתהות אם עלינו להסתכל על ההתבגרות כסוג של מטמורפוזה", אמר.

טרומן וצוותו מקווים כעת לצלול לרמה המולקולרית כדי לראות אילו גנים משפיעים על הבשלה והתפתחות של מערכת העצבים. בשנת 1971 העלו חוקרים השערה במאמר תיאורטי כי שלישיית גנים מכוונת את תהליך המטמורפוזה של חרקים, רעיון שרידיפורד וטרומן אישרו עוד ב- נייר 2022. אבל המנגנונים שמאחורי האופן שבו הגנים הללו פועלים לעיצוב מחדש של הגוף והמוח נותרו לא ברורים.

המטרה הסופית של טרומן היא לשדל נוירון לקבל את צורתו הבוגרת במוח הזחל. פריצה מוצלחת לתהליך עשויה לומר שאנו באמת מבינים כיצד חרקים אלו יוצרים מספר זהויות לאורך זמן.

לא ידוע איך יהיו דפוסי הארגון מחדש במקומות אחרים במוח. אבל סביר להניח שחלק מההיבטים של היכולות המנטליות של זבוב הפירות ותגובותיו לעולם, מודע או לא, מעוצבים על ידי חיי הזחל שלו, אמר טרומן. "האתגר הוא בניסיון לגלות את טיב והיקף ההשפעות הללו."