昆虫の脳は変態中に溶けて再配線される | クアンタマガジン

暖かい夏の夜、緑のクサカゲロウが裏庭やキャンプ場で明るいランタンの周りを飛び回ります。 ベールのような羽を持つこの昆虫は、花の蜜をすすり、捕食するコウモリを避け、繁殖するという本来の集中力から簡単に気が散ってしまいます。 彼らが産んだ卵の小さな塊は、葉の裏の長い茎からぶら下がっており、風にそよぐ妖精の光のように揺れます。

ぶら下がった卵の集合体は美しいだけでなく、実用的でもあります。孵化した幼虫が、孵化していない兄弟をすぐに食べてしまうのを防ぎます。 クサカゲロウの幼虫は、鎌のような顎で獲物を突き刺し、吸い尽くして「凶悪」であると述べた。 ジェームズ・トルーマン、ワシントン大学の発生、細胞および分子生物学の名誉教授。 「XNUMX匹の動物に『美女と野獣』が登場するようなものです。」

このジキルとハイドの二分法は、毛虫が蝶に変わることで最もよく知られる現象である変態によって可能になります。 最も極端なバージョンである完全変態では、幼体と成体はまったく異なる種のように見え、動作します。 動物界では変態も例外ではありません。 それはほぼルールです。 80％以上 今日知られている動物種、主に昆虫、両生類、海洋無脊椎動物は、何らかの形で変態を起こすか、複雑な多段階の生活環を持っています。

変態のプロセスには多くの謎が存在しますが、最も不可解な謎のいくつかは神経系に集中しています。 この現象の中心にあるのは脳であり、脳は XNUMX つではなく複数の異なるアイデンティティをコード化する必要があります。 結局のところ、配偶者を求めて飛んでいる昆虫の生活は、腹を空かしたイモムシの生活とは大きく異なります。 過去半世紀にわたり、研究者らは、あるアイデンティティ（お腹を空かせた毛虫や凶暴なクサカゲロウの幼虫など）をコード化するニューロンのネットワークが、まったく異なる一連の行動やニーズを包含する大人のアイデンティティをコード化するためにどのように変化するのかという問題を調査してきた。 。

トルーマンと彼のチームは現在、変態によって脳の一部がどの程度入れ替わるかを解明した。 の 最近の研究 雑誌に掲載されました eLife彼らは、変態を遂げるショウジョウバエの脳にある数十のニューロンを追跡しました。 研究者らは、フランツ・カフカの短編小説「変身」の苦悩する主人公が、ある日目覚めると巨大な昆虫になるのとは異なり、成虫は幼虫時代のことをあまり覚えていない可能性が高いことを発見した。 研究に含まれた幼虫のニューロンの多くは生き残ったが、トルーマンのグループが調べた昆虫の脳の部分は劇的に再配線されていた。 この神経接続の徹底的な見直しは、昆虫が這い、お腹を空かせた幼虫から、飛んで交尾相手を求める成虫に変化する際の、同様に劇的な行動の変化を反映していた。

彼らの発見は、変態中の昆虫の脳に何が起こるかを示す「これまでで最も詳細な例」であると述べた。 デニズ・エレジルマズ、オックスフォード大学神経回路行動センターの博士研究員で、かつてはトルーマンの研究室で働いていたが、この研究には関与していなかった。 この結果は地球上の他の多くの種にも当てはまるかもしれない、と彼女は付け加えた。

この新しい研究は、幼虫の脳がどのようにして成虫の脳に成熟するのかを詳述するだけでなく、進化がどのようにしてこれらの昆虫の発達がこれほど乱暴な回り道を歩むようになったのかを解明する手がかりを提供している。 「記念碑的な作品だよ」と彼は言った バートラム・ガーバーライプニツ神経生物学研究所の行動神経科学者で、この研究には関与していないが、 関連解説 for eLife。 「これはまさに、この分野における40年間の研究の頂点です。」

「私はこれを大文字で『ザ・ペーパー』と呼んでいます」と述べた。 ダレン・ウィリアムスロンドンのキングス・カレッジの発生神経生物学の研究者で、この研究には関与していないが、トルーマン氏の長年の共同研究者である。 「それは根本的に重要になるでしょう…多くの質問にとって。」

大人になるまでの回り道

480 億 350 万年前の最初の昆虫は、今日のバッタ、コオロギ、その他の昆虫と同じように、成体を小さくしたような姿で卵から出現しましたが、そうでなければ、着実に成体に近づくために「直接発達」を続けました。 昆虫に完全変態が起こったのは、恐竜よりもわずか約XNUMX億XNUMX万年前と考えられている。

現在、ほとんどの研究者は、変態は成虫とその子孫の間の資源を巡る競争を軽減するために進化したと考えている。幼虫を非常に異なる形態に分流させることで、成虫とは全く異なる食物を食べることが可能になったのだ。 トルーマン氏は「これは素晴らしい戦略だった」と語った。 カブトムシ、ハエ、蝶、ミツバチ、スズメバチ、アリなど、完全変態を始めた昆虫の数が爆発的に増加しました。

トルーマンは子供の頃、昆虫がその過程を経るのを何時間も観察して過ごしました。 特にクサカゲロウについては、「幼虫の獰猛さと成虫の繊細な性質に興味をそそられました」と彼は言う。

彼の子供時代の情熱は、やがてキャリアと家族へと変わりました。 彼は顧問博士と結婚した後、 リン・リディフォードワシントン大学の名誉教授でもある同氏は、世界中を旅して変態する昆虫と変態しない昆虫を収集し、その発達過程を比較した。

リディフォードが変態に対するホルモンの影響に研究を集中させたのに対し、トルーマンは脳に最も興味を持っていました。 1974年に彼は出版した 最初の論文 変態中に脳に何が起こるかについて、彼はツノ虫の幼虫と成虫の運動ニューロンの数を追跡しました。 それ以来、数多くの研究で幼虫と成虫のさまざまなニューロンや脳の一部が詳細に研究されてきましたが、それらは逸話的なものであるか、プロセスの非常に小さな側面に焦点を当てたものです。 トルーマン氏は「われわれには大局的な展望があまりなかった」と語った。

トルーマンは、脳に何が起こっているのかを本当に理解するには、その過程を通じて個々の細胞と回路を追跡できなければならないことを知っていました。 ショウジョウバエの神経系は、それを実現する実際的な機会を提供してくれました。ショウジョウバエの幼虫の体細胞のほとんどは成虫に変化するときに死滅しますが、脳のニューロンの多くは死滅しません。

「神経系はニューロンの生成方法を変えることができませんでした」とトルーマン氏は述べた。 その理由の一部は、すべての昆虫の神経系が、ニューロンに成熟する神経芽細胞と呼ばれる一連の幹細胞から生じているためです。 そのプロセスは変態そのものよりも古く、発達の特定の段階を過ぎると簡単に変更できません。 そのため、ショウジョウバエの幼虫の体内の他のほぼすべての細胞が除去されても、元のニューロンのほとんどは成体で新たに機能するためにリサイクルされます。

改造された心

多くの人は、変態中に幼虫の細胞が死ぬか再配置し始めると、繭または外骨格の中にある昆虫の体がスープのようなものになり、残りのすべての細胞が一緒に流動的に滑り始めると想像しています。 しかし、それはまったく正しくないとトルーマン氏は説明した。 「すべてのものには位置があります…しかし、それは本当に繊細で、動物を開くと、すべてが爆発するだけです」と彼は言いました。

そのゼラチン状の塊における脳の変化をマッピングするために、トルーマンと彼の同僚は、顕微鏡下で蛍光緑色に光る特定のニューロンを持つ遺伝子操作されたショウジョウバエの幼虫を精査した。 彼らは、この蛍光が変態中にしばしば消えることを発見したため、遺伝的手法を使用しました。 彼らは開発した 2015年に、昆虫に特定の薬物を与えることによって、同じニューロンで赤色の蛍光を発することを研究した。

それは「かなりクールな方法」だと言いました。 アンドレアス・トゥム、ライプツィヒ大学の神経科学者であり、ガーバーとの解説の共著者です。 これにより、XNUMX つ、XNUMX つ、または XNUMX つのニューロンだけでなく、細胞のネットワーク全体を観察することができます。

研究者らは、ミバエの幼虫と成虫の学習と記憶に重要な脳の領域であるキノコ体に焦点を当てた。 この領域は、ギターの弦のように平行線に並んだ長い軸索尾を持つニューロンの束で構成されています。 これらのニューロンは、糸に出入りする入出力ニューロンを介して脳の残りの部分と通信し、昆虫が匂いを良い経験または悪い経験と関連付けることができる接続ネットワークを作成します。 これらのネットワークは、ギターのフレット間のスペースのように、個別の計算コンパートメントに配置されます。 各コンパートメントには、ハエを何かに向かって誘導したり、何かから遠ざけたりするなどの役割があります。

トルーマン氏と彼のチームは、幼虫が変態する際、10個の神経区画のうちXNUMX個だけが成虫のキノコの体に組み込まれることを発見した。 これら XNUMX つのニューロンの中で、一部のニューロンは死滅し、一部は新たな成人機能を実行するために再構築されます。 マッシュルームの体のニューロンとその入力ニューロンと出力ニューロンの間のすべての接続が解消されます。 この変革の段階では、「インプットもアウトプットもできない、ある意味究極の仏教的状況です」とガーバー氏は言う。 「それは私、私、そして私だけです。」

成体のキノコの体に組み込まれない XNUMX つの幼虫コンパートメントの入力および出力ニューロンは、古いアイデンティティを完全に脱ぎ捨てます。 それらはキノコの体を離れ、成人の脳のどこかにある新しい脳回路に統合されます。 「遺伝学的にも解剖学的にも追跡できなければ、それらが同じニューロンであることは分からないでしょう」とトルーマン教授は語った。

研究者らは、これらの再配置ニューロンはキノコ幼虫の体内の一時的なゲストにすぎず、しばらくは幼虫に必要な機能を引き受けるが、その後成体の脳で祖先の仕事に戻ると示唆している。 これは、成体の脳がその系統内でより古い祖先の形であり、より単純な幼虫の脳がずっと後に来た派生形であるという考えと一致しています。

改造された幼虫のニューロンに加えて、幼虫が成長するにつれて多くの新しいニューロンが生まれます。 これらのニューロンは幼虫には使用されませんが、変態時に成熟して、成虫に特有の XNUMX つの新しい計算コンパートメントの入力および出力ニューロンになります。

幼虫のキノコの体は成虫とよく似ているが、「再配線は非常に激しい」とサム氏は語った。 ガーバー氏によると、まるで計算機の入力と出力がすべて中断されたが、それでもなんとか無線機能を維持しているようなものだという。 「まるで意図的にマシンのプラグを抜き差しするようなものです」。

その結果、成人の脳のキノコ体は「根本的に…完全に新しい構造」となっていると同氏は述べた。 K. ビジェイ・ラガバンインド国立生物科学センターの名誉教授で元所長である同氏は論文の主編集者であり、研究には関与していなかった。 記憶が残っていた可能性を示す解剖学的証拠はない、と同氏は付け加えた。

記憶のもろさ

研究者たちは、幼虫の記憶が成虫に引き継がれるかどうかというこの問題に興奮しているが、その答えはまだ明確ではないとウィリアムズ氏は述べた。

ショウジョウバエのキノコの体内に存在する記憶の種類は連想記憶であり、XNUMX つの異なるものを結び付ける種類の記憶です。たとえば、パブロフの犬が鐘の音を聞いて唾液を垂らした種類の記憶です。 ショウジョウバエの場合、連想記憶には通常、匂いが含まれており、それらはハエを何かに近づけたり、遠ざけたりするのに役立ちます。

ただし、連想記憶は生き残れないという彼らの結論は、すべての種に当てはまるわけではない可能性があります。 たとえば、蝶や甲虫の幼虫は、ショウジョウバエの幼虫よりも複雑な神経系とより多くのニューロンを備えて孵化します。 彼らの神経系はもともとより複雑なので、それほど再成形する必要はないかもしれません。

これまでの研究では、一部の種では他のタイプの記憶が持続する可能性があるという証拠が発見されている。 例えば、ガーバー氏の説明によると、観察や実験によると、昆虫の多くの種は、成長した場所と同じ種類の植物で繁殖することを好む傾向があり、リンゴの木で生まれ育った幼虫は、後に成虫になるとリンゴの木に卵を産む傾向があるという。 「したがって、これら XNUMX つのタイプの観察がどのように関連しているのか疑問に思う人もいるでしょう」と彼は言いました。 記憶が引き継がれない場合、これらの好みはどのように引き継がれるのでしょうか? 可能性のXNUMXつは、連想記憶は引き継がれないが、脳の他の部分に格納されている他のタイプの記憶は引き継がれるということだという。

このデータは、変態する動物と変態しない動物の神経系の発達を比較する機会を提供します。 昆虫の神経系は進化の過程で十分に保存されているため、研究者はコオロギやバッタなどの直接発生種の同等のニューロンを正確に特定することができます。 それらを比較することで、個々の細胞が単一のアイデンティティから複数のアイデンティティにどのように変化したかなどの疑問に答えることができます。 これは「信じられないほど強力な比較ツールです」とウィリアムズ氏は言う。

サム氏は、異なる環境に生息する昆虫種の脳の再構成方法が異なるかどうか、またどの種の昆虫でも記憶が残るかどうかを調べるのは興味深いだろうと考えている。 ガーバー氏は、昆虫の変態における細胞機構が、オタマジャクシからカエルになる、あるいは動かないヒドラのような生き物からクラゲになるなど、さまざまなプロセスを経る他の動物でも同じかどうかを知りたいと考えている。 「思春期をある種の変態として捉えるべきなのか、と疑問に思うほど頭がおかしいかもしれない」と彼は言う。

トルーマン氏と彼のチームは現在、どの遺伝子が神経系の成熟と進化に影響を与えるかを分子レベルまで調べたいと考えている。 1971 年、研究者らは理論論文の中で、XNUMX つの遺伝子が昆虫の変態プロセスを制御しているという仮説を立てました。この考えは、リディフォードとトルーマンが研究論文でさらに確認しました。 2022紙。 しかし、これらの遺伝子が身体や脳を改造するためにどのように機能するのか、その背後にあるメカニズムは依然として不明のままです。

トルーマンの最終目標は、幼虫の脳内でニューロンを成体形態に誘導することである。 このプロセスのハッキングに成功するということは、これらの昆虫が時間の経過とともにどのようにして複数のアイデンティティを生み出すのかを私たちが本当に理解していることを意味するかもしれません。

脳の他の場所での再構成のパターンがどのようなものになるかは不明です。 しかし、ショウジョウバエの精神的能力や世界への反応の一部の側面は、意識があるかどうかにかかわらず、幼虫時代によって形作られている可能性が高いとトルーマン氏は述べた。 「課題は、これらの影響の性質と範囲を解明することです。」