Insektshjerner smelter og rewire under metamorfose | Quanta Magazine

På varme sommernetter flagrer grønne snørevinger rundt lyse lykter i bakgårder og på campingplasser. Insektene, med sine slørlignende vinger, blir lett distrahert fra sin naturlige opptatthet av å nippe til blomsternektar, unngå rovflaggermus og reprodusere seg. Små klør av eggene de legger henger fra lange stilker på undersiden av bladene og svaier som eventyrlys i vinden.

De dinglende ensemblene av egg er vakre, men også praktiske: De hindrer klekkingslarvene fra å umiddelbart spise sine uklekkede søsken. Med sigdlignende kjever som gjennomborer byttet og suger dem tørre, er snøringlarver "ondskapsfulle", sa James Truman, professor emeritus i utvikling, celle- og molekylærbiologi ved University of Washington. "Det er som "Skjønnheten og udyret" i ett dyr.

Denne Jekyll-og-Hyde-dikotomien er gjort mulig av metamorfose, fenomenet som er mest kjent for å forvandle larver til sommerfugler. I sin mest ekstreme versjon, fullstendig metamorfose, ser juvenile og voksne former ut og fungerer som helt forskjellige arter. Metamorfose er ikke et unntak i dyreriket; det er nesten en regel. Mer enn 80% av de kjente dyreartene i dag, hovedsakelig insekter, amfibier og marine virvelløse dyr, gjennomgår en form for metamorfose eller har komplekse, flertrinns livssykluser.

Prosessen med metamorfose presenterer mange mysterier, men noen av de mest forvirrende er sentret om nervesystemet. I sentrum av dette fenomenet er hjernen, som må kode for ikke én, men flere forskjellige identiteter. Tross alt er livet til et flygende, kameratsøkende insekt veldig forskjellig fra livet til en sulten larve. I løpet av det siste halve århundret har forskere undersøkt spørsmålet om hvordan et nettverk av nevroner som koder for én identitet – den til en sulten larve eller en morderisk snøringlarve – skifter til å kode en voksen identitet som omfatter et helt annet sett av atferd og behov .

Truman og teamet hans har nå lært hvor mye metamorfose omstokker deler av hjernen. I en fersk undersøkelse Publisert i tidsskriftet eLife, sporet de dusinvis av nevroner i hjernen til fruktfluer som gikk gjennom metamorfose. De fant ut at, i motsetning til den plagede hovedpersonen i Franz Kafkas novelle "The Metamorphosis", som våkner en dag som et monstrøst insekt, kan voksne insekter sannsynligvis ikke huske mye av larvelivet. Selv om mange av larve-nevronene i studien holdt ut, ble den delen av insekthjernen som Trumans gruppe undersøkte dramatisk omkoblet. Denne overhalingen av nevrale forbindelser speilet et tilsvarende dramatisk skifte i insektenes oppførsel da de endret seg fra krypende, sultne larver til flygende, partnersøkende voksne.

Funnene deres er "det mest detaljerte eksemplet til dags dato" på hva som skjer med hjernen til et insekt som gjennomgår metamorfose, sa Deniz Erezyilmaz, en postdoktor ved University of Oxfords senter for nevrale kretsløp og atferd som pleide å jobbe i Trumans laboratorium, men ikke var involvert i dette arbeidet. Resultatene kan gjelde mange andre arter på jorden, la hun til.

Utover å detaljere hvordan en larvehjerne modnes til en voksen hjerne, gir den nye studien ledetråder til hvordan evolusjonen fikk utviklingen av disse insektene til å ta en så vill omvei. "Det er et monumentalt stykke," sa Bertram Gerber, en atferdsnevroforsker ved Leibniz Institute for Neurobiology som ikke var involvert i studien, men var medforfatter av en relatert kommentar forum eLife. "Det er virkelig klimakset av 40 år med forskning på feltet."

"Jeg kaller dette 'The Paper' med store bokstaver," sa Darren Williams, en forsker i utviklingsnevrobiologi ved King's College London som ikke var involvert i studien, men er en mangeårig samarbeidspartner av Truman's. "Det kommer til å være grunnleggende viktig ... for mange spørsmål."

En omvei på vei til voksenlivet

De tidligste insektene for 480 millioner år siden dukket opp fra egg som så mye ut som mindre versjoner av deres voksne selv, eller så fortsatte de sin "direkte utvikling" for å komme stadig nærmere sin voksne form, akkurat som gresshopper, sirisser og noen andre insekter gjør i dag. Fullstendig metamorfose ser ut til å ha oppstått hos insekter for bare rundt 350 millioner år siden, før dinosaurene.

De fleste forskere tror nå at metamorfose utviklet seg for å redusere konkurransen om ressurser mellom voksne og deres avkom: Å skyte larver inn i en helt annen form tillot dem å spise veldig annerledes mat enn de voksne gjorde. "Det var en flott strategi," sa Truman. Insekter som begynte å gjennomgå fullstendig metamorfose, som biller, fluer, sommerfugler, bier, veps og maur, eksploderte i antall.

Da Truman var barn, brukte han timer på å se insekter gå gjennom prosessen. Med snørevingene spesielt, "var jeg fascinert av larvens voldsomhet versus den sarte naturen til den voksne," sa han.

Hans barndomslidenskap ble til slutt til en karriere og en familie. Etter at han giftet seg med sin doktorgradsrådgiver, Lynn Riddiford, som også er professor emerita ved University of Washington, reiste de verden rundt og samlet insekter som metamorfoserer og andre som ikke gjør det, for å sammenligne deres utviklingsveier.

Mens Riddiford fokuserte arbeidet sitt på effekten av hormoner på metamorfose, var Truman mest interessert i hjernen. I 1974 publiserte han det første papiret om hva som skjer med hjernen under metamorfose, som han sporet antall motoriske nevroner i hornormlarver og voksne. Siden den gang har en rekke studier detaljert forskjellige nevroner og deler av hjernen til larver og voksne, men de er enten anekdotiske eller fokusert på svært små aspekter av prosessen. "Vi hadde ikke mye av et stort bilde," sa Truman.

Truman visste at for å virkelig forstå hva som skjer med hjernen, måtte han være i stand til å spore individuelle celler og kretsløp gjennom prosessen. Nervesystemet til en fruktflue ga en praktisk mulighet til å gjøre det: Selv om de fleste av fruktfluelarvens kroppsceller dør når den forvandles til en voksen, gjør mange av nevronene i hjernen det ikke.

"Nervesystemet har aldri vært i stand til å endre måten det lager nevroner på," sa Truman. Det er delvis fordi nervesystemet i alle insekter oppstår fra en rekke stamceller kalt nevroblaster som modnes til nevroner. Denne prosessen er eldre enn selve metamorfosen og kan ikke enkelt endres etter et visst utviklingsstadium. Så selv om nesten alle de andre cellene i fruktfluens larvekropp er eliminert, blir de fleste av de opprinnelige nevronene resirkulert for å fungere på nytt i den voksne.

Det ombygde sinnet

Mange mennesker forestiller seg at under metamorfose, når larvecellene begynner å dø eller omorganisere seg, blir insektets kropp inne i kokongen eller eksoskeletale hylsteret til noe som en suppe, med alle de gjenværende cellene flytende glidende rundt sammen. Men det er ikke helt riktig, forklarte Truman. "Alt har en posisjon ... men det er veldig delikat, og hvis du åpner dyret, brister alt," sa han.

For å kartlegge hjerneforandringene i den gelatinøse massen, gransket Truman og kollegene hans genetisk konstruerte fruktfluelarver som hadde spesifikke nevroner som lyste en fluorescerende grønn under mikroskopet. De fant ut at denne fluorescensen ofte bleknet under metamorfose, så de brukte en genetisk teknikk de hadde utviklet seg i 2015 for å skru på en rød fluorescens i de samme nevronene ved å gi insektene et bestemt medikament.

Det er en "ganske kul metode," sa Andreas Thum, en nevrovitenskapsmann ved Leipzig University og medforfatter av kommentaren med Gerber. Den lar deg se på ikke bare en, to eller tre nevroner, men et helt nettverk av celler.

Forskerne sonet inn på soppkroppen, et område av hjernen som er kritisk for læring og hukommelse hos fruktfluelarver og voksne. Regionen består av en haug med nevroner med lange aksonale haler som ligger i parallelle linjer som strengene til en gitar. Disse nevronene kommuniserer med resten av hjernen gjennom input og output nevroner som vever seg inn og ut av strengene, og skaper et nettverk av forbindelser som lar insektet assosiere lukt med gode eller dårlige opplevelser. Disse nettverkene er arrangert i distinkte beregningsrom, som mellomrommene mellom båndene på gitaren. Hvert rom har en oppgave, for eksempel å lede en flue mot eller bort fra noe.

Truman og teamet hans fant at når larvene gjennomgår metamorfose, er bare syv av deres 10 nevrale rom innlemmet i den voksne soppkroppen. Innenfor disse syv dør noen nevroner, og noen blir ombygd for å utføre nye voksne funksjoner. Alle forbindelsene mellom nevronene i soppkroppen og deres inngangs- og utgangsnevroner er oppløst. På dette transformasjonsstadiet, "er det på en måte denne ultimate buddhistiske situasjonen hvor du ikke har noen innganger, du har ingen utganger," sa Gerber. "Det er bare meg, meg selv og jeg."

Inngangs- og utgangsnevronene i de tre larverommene som ikke blir innlemmet i den voksne soppkroppen, mister fullstendig sin gamle identitet. De forlater soppkroppen og integreres i nye hjernekretsløp andre steder i den voksne hjernen. "Du ville ikke vite at de var de samme nevronene, bortsett fra at vi har vært i stand til å følge dem både genetisk og anatomisk," sa Truman.

Forskerne antyder at disse flyttende nevronene bare er midlertidige gjester i larve-soppkroppen, som tar på seg nødvendige larvefunksjoner en stund, men vender så tilbake til sine forfedres oppgaver i den voksne hjernen. Det er i tråd med ideen om at den voksne hjernen er den eldre, forfedres form innenfor avstamningen, og den enklere larvehjernen er en avledet form som kom mye senere.

I tillegg til de ombygde larve-nevronene, blir mange nye nevroner født når larven vokser. Disse nevronene brukes ikke av larven, men ved metamorfose modnes de til å bli input og output nevroner for ni nye beregningsrom som er voksenspesifikke.

Soppkroppen i larven ligner veldig på den voksne versjonen, sa Thum, men "omkoblingen er veldig intens." Det er som om inngangene og utgangene til en beregningsmaskin alle ble forstyrret, men likevel beholdt sin trådløse funksjonalitet på en eller annen måte, sa Gerber. "Det er nesten som om du med vilje ville koble fra og koble til" maskinen.

Som et resultat er den voksne hjernens soppkropp "i grunnen ... en helt ny struktur," sa K. VijayRaghavan, en emeritusprofessor og tidligere direktør for Indias nasjonale senter for biologiske vitenskaper, som var hovedredaktør for avisen og ikke var involvert i studien. Det er ingen anatomisk indikasjon på at minner kunne ha overlevd, la han til.

Minnets skjørhet

Forskere har vært begeistret over dette spørsmålet om hvorvidt en larves minner kan overføres til det voksne insektet, sa Williams, men svaret har ikke vært entydig.

Typen minner som lever i soppkroppen til en fruktflue er assosiative minner, den typen som knytter to forskjellige ting sammen - den typen minne som for eksempel lot Pavlovs hunder salivere ved lyden av en bjelle. For fruktfluen involverer assosiative minner typisk lukter, og de leder fluen mot eller bort fra noe.

Men konklusjonen deres om at assosiative minner ikke kan overleve stemmer kanskje ikke for alle arter. Sommerfugl- og billelarver klekkes for eksempel med mer komplekse nervesystemer og flere nevroner enn fruktfluelarvene har. Fordi nervesystemene deres starter mer komplisert, trenger de kanskje ikke å omformes så mye.

Tidligere studier har funnet bevis for at andre typer minner kan vedvare hos noen arter. For eksempel, forklarte Gerber, tyder observasjoner og eksperimenter på at mange insektarter viser en preferanse for å reprodusere på de samme plantetypene der de ble modnet: Larver født og oppvokst på epletrær har senere en tendens til å legge egg på epletrær som voksne. "Så man lurer på hvordan disse to typene observasjoner henger sammen," sa han. Hvordan overføres disse preferansene hvis minnene ikke gjør det? En mulighet er at assosiative minner ikke overføres, men andre typer minner som ligger i andre deler av hjernen gjør det, sa han.

Dataene gir muligheter til å sammenligne utviklingen av nervesystemer hos dyr som metamorfoserer og de som ikke gjør det. Nervesystemet til insekter har blitt bevart nok under evolusjonen til at forskere kan finne tilsvarende nevroner i direkte utviklende arter som sirisser og gresshopper. Sammenligninger mellom dem kan svare på spørsmål som hvordan individuelle celler endret seg fra å ha én til flere identiteter. Det er "et utrolig kraftig komparativt verktøy," sa Williams.

Thum synes det ville være interessant å se om insektarter som lever i forskjellige miljøer kan variere i måten hjernene deres blir omorganisert på, og om minner kan overleve i noen av dem. Gerber er nysgjerrig på å se om de cellulære mekanismene i insektmetamorfose er de samme hos andre dyr som gjennomgår variasjoner av prosessen, som rumpetroll som blir frosker eller ubevegelige hydra-lignende skapninger som blir maneter. "Du kan til og med være gal nok til å lure på om vi bør se på puberteten som en slags metamorfose," sa han.

Truman og teamet hans håper nå å dykke ned til molekylært nivå for å se hvilke gener som påvirker modningen og utviklingen av nervesystemet. I 1971 antok forskere i en teoretisk artikkel at en trio av gener styrer prosessen med insektmetamorfose, en idé som Riddiford og Truman ytterligere bekreftet i en 2022 papir. Men mekanismene bak hvordan disse genene fungerer for å remodellere kroppen og hjernen er fortsatt uklare.

Trumans endelige mål er å lokke et nevron til å ta på seg sin voksne form i larvehjernen. Vellykket hacking av prosessen kan bety at vi virkelig forstår hvordan disse insektene skaper flere identiteter over tid.

Det er ukjent hvordan omorganiseringsmønstrene ville være andre steder i hjernen. Men det er sannsynlig at noen aspekter av fruktfluens mentale kapasiteter og reaksjoner på verden, bevisst eller ikke, er formet av larvelivet, sa Truman. "Utfordringen er å prøve å finne ut arten og omfanget av disse effektene."