Insectenhersenen smelten en herbedraden tijdens metamorfose | Quanta-tijdschrift

Op warme zomeravonden fladderen groene gaasvliegen rond felle lantaarns in achtertuinen en op campings. De insecten, met hun sluierachtige vleugels, worden gemakkelijk afgeleid van hun natuurlijke preoccupatie met het nippen aan bloemennectar, het vermijden van roofvleermuizen en het voortplanten. Kleine klauwen van de eieren die ze leggen hangen aan lange stengels aan de onderkant van bladeren en zwaaien als lichtjes in de wind.

De bungelende ensembles van eieren zijn mooi maar ook praktisch: ze voorkomen dat de uitgekomen larven hun niet-uitgekomen broers en zussen meteen opeten. Met sikkelachtige kaken die hun prooi doorboren en leegzuigen, zijn gaasvlieglarven "wreed", zei James Truman, emeritus hoogleraar ontwikkeling, cel- en moleculaire biologie aan de Universiteit van Washington. "Het is als 'Beauty and the Beast' in één dier."

Deze tweedeling tussen Jekyll en Hyde wordt mogelijk gemaakt door metamorfose, het fenomeen dat vooral bekend staat om het transformeren van rupsen in vlinders. In de meest extreme versie, volledige metamorfose, zien en gedragen de juveniele en volwassen vormen zich als totaal verschillende soorten. Metamorfose is geen uitzondering in het dierenrijk; het is bijna een regel. Meer dan 80% van de tegenwoordig bekende diersoorten, voornamelijk insecten, amfibieën en ongewervelde zeedieren, ondergaan een vorm van metamorfose of hebben complexe, meertraps levenscycli.

Het proces van metamorfose biedt veel mysteries, maar enkele van de meest raadselachtige zijn gericht op het zenuwstelsel. De kern van dit fenomeen is het brein, dat niet voor één maar voor meerdere verschillende identiteiten moet coderen. Het leven van een vliegend, partnerzoekend insect is immers heel anders dan het leven van een hongerige rups. De afgelopen halve eeuw hebben onderzoekers de vraag onderzocht hoe een netwerk van neuronen dat codeert voor één identiteit - die van een hongerige rups of een moorddadige gaasvlieglarve - verschuift om een ​​volwassen identiteit te coderen die een totaal andere reeks gedragingen en behoeften omvat. .

Truman en zijn team hebben nu geleerd hoeveel metamorfose delen van de hersenen herschikt. In een recente studie gepubliceerd in het tijdschrift eLife, traceerden ze tientallen neuronen in de hersenen van fruitvliegjes die een metamorfose doormaakten. Ze ontdekten dat, in tegenstelling tot de gekwelde hoofdpersoon van Franz Kafka's korte verhaal 'The Metamorphosis', die op een dag wakker wordt als een monsterlijk insect, volwassen insecten zich waarschijnlijk niet veel van hun leven als larven kunnen herinneren. Hoewel veel van de larvale neuronen in de studie het overleefden, was het deel van het insectenbrein dat Truman's groep onderzocht drastisch opnieuw bedraad. Die revisie van neurale verbindingen weerspiegelde een even dramatische verschuiving in het gedrag van de insecten toen ze veranderden van kruipende, hongerige larven in vliegende, partnerzoekende volwassenen.

Hun bevindingen zijn "het meest gedetailleerde voorbeeld tot nu toe" van wat er gebeurt met de hersenen van een insect dat een metamorfose ondergaat, zei Deniz Erezyilmaz, een postdoctoraal onderzoeker aan het Centre for Neural Circuits and Behaviour van de Universiteit van Oxford die vroeger in het laboratorium van Truman werkte maar niet bij dit werk betrokken was. De resultaten kunnen van toepassing zijn op veel andere soorten op aarde, voegde ze eraan toe.

Naast het detailleren van hoe een larvale hersenen rijpen tot een volwassen brein, geeft de nieuwe studie aanwijzingen over hoe evolutie de ontwikkeling van deze insecten zo'n wilde omweg heeft gemaakt. "Het is een monumentaal stuk," zei Bertram Gerber, een gedragsneurowetenschapper aan het Leibniz Instituut voor Neurobiologie die niet betrokken was bij de studie maar co-auteur was van een bijbehorende commentaar For eLife. "Het is echt het hoogtepunt van 40 jaar onderzoek in het veld."

"Ik noem dit 'The Paper' in hoofdletters," zei Darren Williams, een onderzoeker in ontwikkelingsneurobiologie aan King's College London die niet betrokken was bij de studie, maar al heel lang samenwerkt met Truman's. "Het wordt van fundamenteel belang … voor veel vragen."

Een omweg op weg naar volwassenheid

De vroegste insecten kwamen 480 miljoen jaar geleden voort uit eieren die veel leken op kleinere versies van hun volwassen zelf, of ze zetten hun "directe ontwikkeling" voort om steeds dichter bij hun volwassen vorm te komen, net zoals sprinkhanen, krekels en sommige andere insecten dat tegenwoordig doen. Volledige metamorfose lijkt pas ongeveer 350 miljoen jaar geleden bij insecten te zijn ontstaan, vóór de dinosauriërs.

De meeste onderzoekers geloven nu dat metamorfose is geëvolueerd om de concurrentie om hulpbronnen tussen volwassenen en hun nakomelingen te verminderen: door larven in een heel andere vorm te rangeren, konden ze heel ander voedsel eten dan de volwassenen. "Het was een geweldige strategie", zei Truman. Insecten die een complete metamorfose begonnen te ondergaan, zoals kevers, vliegen, vlinders, bijen, wespen en mieren, explodeerden in aantal.

Toen Truman een kind was, keek hij urenlang naar insecten die het proces doormaakten. Met de gaasvliegen in het bijzonder: "Ik was geïntrigeerd door de wreedheid van de larve versus de delicate aard van de volwassene," zei hij.

Zijn jeugdpassie veranderde uiteindelijk in een carrière en een gezin. Nadat hij trouwde met zijn promotor, Lynn Riddiford, die ook emerita professor is aan de Universiteit van Washington, reisden ze de wereld rond om insecten te verzamelen die metamorfoseren en andere die dat niet doen, om hun ontwikkelingspaden te vergelijken.

Terwijl Riddiford haar werk concentreerde op het effect van hormonen op metamorfose, was Truman het meest geïnteresseerd in de hersenen. In 1974 publiceerde hij het eerste papier over wat er met de hersenen gebeurt tijdens de metamorfose, waarvoor hij het aantal motorneuronen in hoornwormlarven en volwassen dieren volgde. Sindsdien hebben talloze onderzoeken verschillende neuronen en delen van de hersenen van larven en volwassenen gedetailleerd beschreven, maar ze zijn ofwel anekdotisch of gericht op zeer kleine aspecten van het proces. "We hadden niet echt een groot beeld", zei Truman.

Truman wist dat hij, om echt te begrijpen wat er met de hersenen gebeurt, individuele cellen en circuits tijdens het proces moest kunnen traceren. Het zenuwstelsel van een fruitvlieg bood een praktische mogelijkheid om dat te doen: hoewel de meeste lichaamscellen van de fruitvlieglarve afsterven wanneer deze verandert in een volwassene, doen veel van de neuronen in zijn hersenen dat niet.

"Het zenuwstelsel is nooit in staat geweest om de manier waarop het neuronen maakt te veranderen," zei Truman. Dat komt deels omdat het zenuwstelsel in alle insecten voortkomt uit een reeks stamcellen, neuroblasten genaamd, die uitgroeien tot neuronen. Dat proces is ouder dan de metamorfose zelf en niet gemakkelijk te wijzigen na een bepaalde ontwikkelingsfase. Dus zelfs als bijna alle andere cellen in het larvale lichaam van de fruitvlieg zijn geëlimineerd, worden de meeste oorspronkelijke neuronen gerecycled om opnieuw te functioneren bij de volwassene.

De vernieuwde geest

Veel mensen stellen zich voor dat tijdens de metamorfose, als de larvale cellen beginnen te sterven of zichzelf herschikken, het lichaam van het insect in zijn cocon of exoskelet omhulsel verandert in zoiets als een soep, waarbij alle resterende cellen vloeiend door elkaar heen glijden. Maar dat klopt niet helemaal, legde Truman uit. "Alles heeft een positie... maar het is heel delicaat, en als je het dier opent, barst alles gewoon open," zei hij.

Om de hersenveranderingen in die gelatineuze massa in kaart te brengen, onderzochten Truman en zijn collega's genetisch gemanipuleerde fruitvlieglarven met specifieke neuronen die fluorescerend groen schenen onder de microscoop. Ze ontdekten dat deze fluorescentie vaak vervaagde tijdens metamorfose, dus gebruikten ze een genetische techniek ze hadden ontwikkeld in 2015 om een ​​rode fluorescentie in dezelfde neuronen aan te zetten door de insecten een bepaald medicijn te geven.

Het is een "best coole methode", zei Andreas Thum, een neurowetenschapper aan de Universiteit van Leipzig en co-auteur van het commentaar met Gerber. Hiermee kunt u niet slechts naar één, twee of drie neuronen kijken, maar naar een heel netwerk van cellen.

De onderzoekers richtten zich op het paddenstoellichaam, een hersengebied dat cruciaal is voor leren en geheugen bij fruitvlieglarven en volwassenen. Het gebied bestaat uit een stel neuronen met lange axonale staarten die in evenwijdige lijnen liggen als de snaren van een gitaar. Deze neuronen communiceren met de rest van de hersenen via invoer- en uitvoerneuronen die in en uit de snaren weven, waardoor een netwerk van verbindingen ontstaat waarmee het insect geuren kan associëren met goede of slechte ervaringen. Deze netwerken zijn gerangschikt in verschillende computationele compartimenten, zoals de ruimtes tussen de frets op de gitaar. Elk compartiment heeft een taak, zoals het ergens naartoe of ergens vandaan leiden van een vlieg.

Truman en zijn team ontdekten dat wanneer de larven een metamorfose ondergaan, slechts zeven van hun 10 neurale compartimenten worden opgenomen in het volwassen paddenstoellichaam. Binnen die zeven sterven sommige neuronen af, en sommige worden omgevormd om nieuwe volwassen functies uit te voeren. Alle verbindingen tussen de neuronen in het paddenstoellichaam en hun input- en outputneuronen zijn opgelost. In deze transformatiefase "is het een soort ultieme boeddhistische situatie waarin je geen input hebt, geen output", zei Gerber. "Het is alleen ik, mezelf en ik."

De input- en outputneuronen in de drie larvale compartimenten die niet worden opgenomen in het volwassen paddenstoellichaam, laten hun oude identiteit volledig los. Ze verlaten het paddestoellichaam en integreren in nieuwe hersencircuits elders in het volwassen brein. "Je zou niet weten dat het dezelfde neuronen waren, behalve dat we ze zowel genetisch als anatomisch hebben kunnen volgen," zei Truman.

De onderzoekers suggereren dat deze zich verplaatsende neuronen slechts tijdelijke gasten zijn in het lichaam van de larvale paddenstoel, die een tijdje de noodzakelijke larvale functies op zich nemen, maar daarna terugkeren naar hun voorouderlijke taken in het volwassen brein. Dat is in overeenstemming met het idee dat het volwassen brein de oudere, voorouderlijke vorm binnen de afstamming is en dat het eenvoudigere larvale brein een afgeleide vorm is die veel later kwam.

Naast de vernieuwde larvale neuronen, worden er veel nieuwe neuronen geboren als de larve groeit. Deze neuronen worden niet gebruikt door de larve, maar bij metamorfose rijpen ze om input- en outputneuronen te worden voor negen nieuwe computationele compartimenten die specifiek zijn voor volwassenen.

Het paddenstoellichaam in de larve lijkt erg op de volwassen versie, zei Thum, maar "de herbedrading is echt intens." Het is alsof de in- en uitgangen van een computermachine allemaal zijn verstoord, maar toch op de een of andere manier hun draadloze functionaliteit hebben behouden, zei Gerber. "Het is bijna alsof je de machine opzettelijk loskoppelt en weer aansluit".

Als gevolg hiervan is het paddenstoellichaam van het volwassen brein "fundamenteel ... een compleet nieuwe structuur", zei K. Vijay Raghavan, een emeritus professor en voormalig directeur van India's National Center for Biological Sciences, die de hoofdredacteur was van de krant en niet betrokken was bij het onderzoek. Er is geen anatomische indicatie dat herinneringen zouden kunnen hebben overleefd, voegde hij eraan toe.

De kwetsbaarheid van het geheugen

Onderzoekers zijn enthousiast over de vraag of de herinneringen van een larve kunnen worden overgedragen op het volwassen insect, zei Williams, maar het antwoord is niet duidelijk.

De soorten herinneringen die in het paddestoellichaam van een fruitvlieg leven, zijn associatieve herinneringen, het soort dat twee verschillende dingen met elkaar verbindt - het soort geheugen dat bijvoorbeeld de honden van Pavlov deed kwijlen bij het geluid van een bel. Voor de fruitvlieg hebben associatieve herinneringen meestal betrekking op geuren, en ze leiden de vlieg ergens naar toe of weg van iets.

Hun conclusie dat associatieve herinneringen niet kunnen overleven, geldt echter mogelijk niet voor alle soorten. Vlinder- en keverlarven komen bijvoorbeeld uit met complexere zenuwstelsels en meer neuronen dan fruitvlieglarven. Omdat hun zenuwstelsel in het begin ingewikkelder is, hoeven ze misschien niet zo vaak opnieuw te worden gevormd.

Eerdere studies hebben bewijs gevonden dat andere soorten herinneringen bij sommige soorten kunnen blijven bestaan. Gerber legde bijvoorbeeld uit dat observaties en experimenten suggereren dat veel soorten insecten een voorkeur vertonen voor voortplanting op dezelfde soorten planten waar ze volwassen zijn geworden: larven die geboren en getogen zijn op appelbomen, hebben later de neiging eieren te leggen op appelbomen als volwassenen. "Dus je vraagt ​​​​je af hoe deze twee soorten observaties met elkaar verband houden, " zei hij. Hoe kunnen deze voorkeuren worden overgedragen als herinneringen dat niet doen? Een mogelijkheid is dat associatieve herinneringen niet worden overgedragen, maar andere soorten herinneringen die zich in andere delen van de hersenen bevinden, doen dat wel, zei hij.

De gegevens bieden mogelijkheden om de ontwikkeling van het zenuwstelsel te vergelijken bij dieren die metamorfose ondergaan en dieren die dat niet doen. Het zenuwstelsel van insecten is tijdens de evolutie voldoende geconserveerd dat onderzoekers equivalente neuronen kunnen lokaliseren in direct ontwikkelende soorten zoals krekels en sprinkhanen. Vergelijkingen tussen hen kunnen vragen beantwoorden, zoals hoe individuele cellen zijn veranderd van een enkele naar meerdere identiteiten. Het is "een ongelooflijk krachtige vergelijkingstool", zei Williams.

Thum denkt dat het interessant zou zijn om te zien of insectensoorten die in verschillende omgevingen leven, kunnen verschillen in de manier waarop hun hersenen worden herschikt, en of herinneringen in een van hen kunnen overleven. Gerber is benieuwd of de cellulaire mechanismen bij metamorfose van insecten hetzelfde zijn bij andere dieren die variaties op het proces ondergaan, zoals kikkervisjes die kikkers worden of onbeweeglijke hydra-achtige wezens die kwallen worden. "Misschien ben je zelfs gek genoeg om je af te vragen of we de puberteit moeten zien als een soort metamorfose", zei hij.

Truman en zijn team hopen nu naar het moleculaire niveau te duiken om te zien welke genen de rijping en evolutie van het zenuwstelsel beïnvloeden. In 1971 veronderstelden onderzoekers in een theoretisch artikel dat een drietal genen het proces van insectenmetamorfose stuurt, een idee dat Riddiford en Truman verder bevestigden in een 2022 papier. Maar de mechanismen achter hoe deze genen werken om het lichaam en de hersenen te hermodelleren, blijven onduidelijk.

Het uiteindelijke doel van Truman is om een ​​neuron over te halen zijn volwassen vorm aan te nemen in de larvale hersenen. Het succesvol hacken van het proces zou kunnen betekenen dat we echt begrijpen hoe deze insecten in de loop van de tijd meerdere identiteiten creëren.

Het is niet bekend hoe de reorganisatiepatronen elders in de hersenen eruit zouden zien. Maar het is waarschijnlijk dat sommige aspecten van de mentale capaciteiten en reacties van de fruitvlieg op de wereld, bewust of niet, worden gevormd door zijn larvale leven, zei Truman. "De uitdaging is om de aard en omvang van deze effecten te achterhalen."