Mózgi owadów topią się i przebudowują podczas metamorfozy | Magazyn Quanta

W ciepłe letnie noce wokół jasnych lampionów na podwórkach i na kempingach fruwają zielone siatkonogi. Owady ze skrzydłami przypominającymi welon łatwo odwracają uwagę od ich naturalnego zaabsorbowania popijaniem nektaru kwiatowego, unikaniem drapieżnych nietoperzy i rozmnażaniem. Małe lęgi jaj, które składają, zwisają z długich łodyg na spodniej stronie liści i kołyszą się jak światełka na wietrze.

Zwisające zestawy jaj są piękne, ale także praktyczne: powstrzymują wylęgające się larwy przed natychmiastowym zjedzeniem niewyklutego rodzeństwa. Z sierpopodobnymi szczękami, które przebijają zdobycz i wysysają ją do sucha, larwy sieciokrzydłych są „okrutne”, powiedział Jamesa Trumana, emerytowany profesor rozwoju, biologii komórkowej i molekularnej na Uniwersytecie Waszyngtońskim. „To jak „Piękna i Bestia” w jednym zwierzęciu”.

Ta dychotomia Jekylla i Hyde'a jest możliwa dzięki metamorfozie, zjawisku najlepiej znanemu z przekształcania gąsienic w motyle. W swojej najbardziej ekstremalnej wersji, całkowitej metamorfozie, formy młodociane i dorosłe wyglądają i zachowują się jak zupełnie różne gatunki. Metamorfoza nie jest wyjątkiem w królestwie zwierząt; to prawie reguła. Więcej niż 80% znanych dziś gatunków zwierząt, głównie owadów, płazów i bezkręgowców morskich, przechodzą jakieś formy metamorfozy lub mają złożone, wieloetapowe cykle życiowe.

Proces metamorfozy skrywa wiele tajemnic, ale niektóre z najbardziej zagadkowych koncentrują się na układzie nerwowym. W centrum tego zjawiska znajduje się mózg, który musi kodować nie jedną, ale wiele różnych tożsamości. W końcu życie latającego, szukającego partnera owada bardzo różni się od życia głodnej gąsienicy. Przez ostatnie pół wieku badacze zastanawiali się, w jaki sposób sieć neuronów kodująca jedną tożsamość — głodną gąsienicę lub morderczą larwę siatkonogi — zmienia się, aby zakodować tożsamość dorosłego, która obejmuje zupełnie inny zestaw zachowań i potrzeb .

Truman i jego zespół dowiedzieli się teraz, jak bardzo metamorfoza zmienia części mózgu. W Niedawne badania opublikowane w czasopiśmie eLifeprześledzili dziesiątki neuronów w mózgach muszek owocowych przechodzących metamorfozę. Odkryli, że w przeciwieństwie do udręczonego bohatera opowiadania Franza Kafki „Przemiana”, który budzi się pewnego dnia jako potworny owad, dorosłe owady prawdopodobnie nie pamiętają zbyt wiele ze swojego życia larwalnego. Chociaż wiele neuronów larw w badaniu przetrwało, część mózgu owada, którą badała grupa Trumana, została radykalnie zmieniona. Ten przegląd połączeń neuronowych odzwierciedlał podobnie dramatyczną zmianę w zachowaniu owadów, gdy zmieniały się z pełzających, głodnych larw w latające, szukające partnera dorosłe osobniki.

Ich odkrycia są „najbardziej szczegółowym jak dotąd przykładem” tego, co dzieje się z mózgiem owada przechodzącego metamorfozę, powiedział Deniz Erezyilmaz, naukowiec z tytułem doktora w Centrum Obwodów Neuronowych i Zachowań Uniwersytetu Oksfordzkiego, który pracował w laboratorium Trumana, ale nie był zaangażowany w tę pracę. Dodała, że ​​wyniki mogą odnosić się do wielu innych gatunków na Ziemi.

Poza wyszczególnieniem, w jaki sposób mózg larwy dojrzewa do mózgu dorosłego, nowe badanie dostarcza wskazówek, w jaki sposób ewolucja spowodowała, że ​​rozwój tych owadów obrał tak dziki objazd. „To monumentalny utwór” — powiedział Bertrama Gerbera, neurobiolog behawioralny z Leibniz Institute for Neurobiology, który nie brał udziału w badaniu, ale był współautorem powiązany komentarz dla eLife. „To naprawdę punkt kulminacyjny 40 lat badań w tej dziedzinie”.

— Nazywam to „Gazeta” drukowanymi literami — powiedział Darrena Williamsa, badacz neurobiologii rozwojowej w King's College London, który nie był zaangażowany w badania, ale jest wieloletnim współpracownikiem Trumana. „To będzie fundamentalnie ważne… dla wielu pytań”.

Objazd w drodze do dorosłości

Najwcześniejsze owady 480 milionów lat temu wyłoniły się z jaj, które wyglądały jak mniejsze wersje ich dorosłych osobników, albo kontynuowały „bezpośredni rozwój”, aby stopniowo zbliżać się do swojej dorosłej postaci, tak jak robią to dzisiaj koniki polne, świerszcze i niektóre inne owady. Wydaje się, że całkowita metamorfoza pojawiła się u owadów dopiero około 350 milionów lat temu, przed dinozaurami.

Większość badaczy uważa obecnie, że metamorfoza ewoluowała, aby zmniejszyć rywalizację o zasoby między dorosłymi a ich potomstwem: przetaczanie larw w zupełnie inną formę pozwoliło im jeść zupełnie inny pokarm niż dorośli. „To była świetna strategia” – powiedział Truman. Owady, które zaczęły przechodzić całkowitą metamorfozę, jak chrząszcze, muchy, motyle, pszczoły, osy i mrówki, eksplodowały liczebnie.

Kiedy Truman był dzieckiem, godzinami obserwował, jak owady przechodzą przez ten proces. Szczególnie w przypadku siatkonogów: „Zaintrygowało mnie okrucieństwo larwy w porównaniu z delikatną naturą dorosłego osobnika” — powiedział.

Jego pasja z dzieciństwa przerodziła się w karierę i rodzinę. Po ślubie ze swoim promotorem, Lynn Riddiford, który jest również emerytowanym profesorem na Uniwersytecie Waszyngtońskim, podróżowali po świecie, zbierając owady, które przechodzą metamorfozę i inne, które tego nie robią, aby porównać swoje ścieżki rozwojowe.

Podczas gdy Riddiford skupiła się w swojej pracy na wpływie hormonów na metamorfozę, Trumana najbardziej interesował mózg. W 1974 opublikował pierwszy papier na temat tego, co dzieje się z mózgiem podczas metamorfozy, dla której śledził liczbę neuronów ruchowych larw i postaci dorosłych robaków. Od tego czasu liczne badania szczegółowo omówiły różne neurony i części mózgów larw i dorosłych, ale są one albo anegdotyczne, albo skupiają się na bardzo małych aspektach tego procesu. „Nie mieliśmy dużego obrazu” – powiedział Truman.

Truman wiedział, że aby naprawdę zrozumieć, co dzieje się z mózgiem, musiał być w stanie prześledzić poszczególne komórki i obwody w tym procesie. Układ nerwowy muszki owocówki stwarzał do tego praktyczną okazję: chociaż większość komórek ciała larwy muszki owocowej umiera, gdy przekształca się w postać dorosłą, wiele neuronów w jej mózgu nie umiera.

„Układ nerwowy nigdy nie był w stanie zmienić sposobu, w jaki tworzy neurony” – powiedział Truman. Dzieje się tak częściowo dlatego, że układ nerwowy wszystkich owadów powstaje z szeregu komórek macierzystych zwanych neuroblastami, które dojrzewają do neuronów. Proces ten jest starszy niż sama metamorfoza i niełatwo go zmodyfikować po pewnym etapie rozwoju. Więc nawet jeśli prawie wszystkie inne komórki ciała larwalnego muszki owocówki zostaną wyeliminowane, większość pierwotnych neuronów zostanie przywrócona do ponownego funkcjonowania u dorosłego osobnika.

Przebudowany umysł

Wiele osób wyobraża sobie, że podczas metamorfozy, gdy komórki larwalne zaczynają obumierać lub przestawiać się, ciało owada wewnątrz kokonu lub osłonki egzoszkieletowej zamienia się w coś w rodzaju zupy, a wszystkie pozostałe komórki płynnie przesuwają się razem. Ale to nie do końca w porządku, wyjaśnił Truman. „Wszystko ma swoją pozycję… ale jest naprawdę delikatne, a jeśli otworzysz zwierzę, wszystko po prostu pęka” – powiedział.

Aby zmapować zmiany w mózgu w tej galaretowatej masie, Truman i jego współpracownicy zbadali genetycznie zmodyfikowane larwy muszek owocowych, które miały określone neurony, które świeciły fluorescencyjną zielenią pod mikroskopem. Odkryli, że ta fluorescencja często zanika podczas metamorfozy, więc zastosowali technikę genetyczną rozwinęli się w 2015 r., aby włączyć czerwoną fluorescencję w tych samych neuronach, podając owadom określony lek.

To „całkiem fajna metoda”, powiedział Andrzej Thum, neurobiolog z Uniwersytetu w Lipsku i współautor komentarza wraz z Gerberem. Pozwala spojrzeć nie tylko na jeden, dwa lub trzy neurony, ale na całą sieć komórek.

Naukowcy skoncentrowali się na ciele grzyba, regionie mózgu mającym kluczowe znaczenie dla uczenia się i zapamiętywania u larw i dorosłych muszek owocowych. Region składa się z wiązki neuronów z długimi ogonami aksonalnymi, które leżą w równoległych liniach, jak struny gitary. Te neurony komunikują się z resztą mózgu za pośrednictwem neuronów wejściowych i wyjściowych, które wplatają się i wychodzą ze sznurków, tworząc sieć połączeń, które pozwalają owadowi kojarzyć zapachy z dobrymi lub złymi doświadczeniami. Sieci te są rozmieszczone w odrębnych przedziałach obliczeniowych, takich jak przestrzenie między progami gitary. Każda komora ma zadanie, takie jak poprowadzenie muchy w kierunku lub od czegoś.

Truman i jego zespół odkryli, że kiedy larwy przechodzą metamorfozę, tylko siedem z ich 10 przedziałów nerwowych zostaje włączonych do ciała dorosłego grzyba. W ciągu tych siedmiu neuronów niektóre neurony umierają, a niektóre są przebudowywane, aby pełnić nowe funkcje dorosłego człowieka. Wszystkie połączenia między neuronami w ciele grzyba a ich neuronami wejściowymi i wyjściowymi są rozpuszczone. Na tym etapie transformacji „jest to swego rodzaju ostateczna buddyjska sytuacja, w której nie masz wkładu, nie masz wyjścia” – powiedział Gerber. "To tylko ja, ja i ja."

Neurony wejściowe i wyjściowe w trzech przedziałach larwalnych, które nie zostały włączone do ciała dorosłego grzyba, całkowicie porzuciły swoją dawną tożsamość. Opuszczają ciało grzyba i integrują się z nowymi obwodami mózgowymi gdzie indziej w dorosłym mózgu. „Nie wiedziałbyś, że to te same neurony, gdyby nie to, że byliśmy w stanie je prześledzić zarówno genetycznie, jak i anatomicznie” – powiedział Truman.

Naukowcy sugerują, że te przemieszczające się neurony są tylko tymczasowymi gośćmi w ciele larwy grzyba, przejmując przez jakiś czas niezbędne funkcje larwalne, ale potem powracają do swoich przodków w dorosłym mózgu. Jest to zgodne z ideą, że mózg dorosłego człowieka jest starszą, przodkową formą w linii, a prostszy mózg larwy jest formą pochodną, ​​która pojawiła się znacznie później.

Oprócz przebudowanych neuronów larwalnych, w miarę wzrostu larwy rodzi się wiele nowych neuronów. Te neurony nie są używane przez larwy, ale podczas metamorfozy dojrzewają, by stać się neuronami wejściowymi i wyjściowymi dla dziewięciu nowych przedziałów obliczeniowych, które są specyficzne dla osobników dorosłych.

Thum powiedział, że ciało grzyba w larwie wygląda bardzo podobnie do dorosłej wersji, ale „zmiana okablowania jest naprawdę intensywna”. To tak, jakby wszystkie wejścia i wyjścia maszyny obliczeniowej zostały zakłócone, ale w jakiś sposób zachowały swoją bezprzewodową funkcjonalność, powiedział Gerber. „To prawie tak, jakbyś celowo odłączał i ponownie podłączał” maszynę.

W rezultacie ciało grzyba dorosłego mózgu jest „zasadniczo… zupełnie nową strukturą” – powiedział K. Vijay Raghavan, emerytowany profesor i były dyrektor indyjskiego Narodowego Centrum Nauk Biologicznych, który był głównym redaktorem artykułu i nie był zaangażowany w badania. Dodał, że nie ma żadnych anatomicznych wskazówek, które wskazywałyby, że wspomnienia mogły przetrwać.

Kruchość pamięci

Naukowcy byli podekscytowani tym pytaniem, czy wspomnienia larwy mogą przenieść się na dorosłego owada, powiedział Williams, ale odpowiedź nie była jednoznaczna.

Typy wspomnień, które żyją w ciele grzyba muszki owocowej, to wspomnienia asocjacyjne, takie, które łączą ze sobą dwie różne rzeczy – na przykład rodzaj pamięci, który sprawił, że psy Pawłowa śliniły się na dźwięk dzwonka. W przypadku muszki owocówki wspomnienia skojarzeniowe zazwyczaj obejmują zapachy i kierują muchę w kierunku czegoś lub od czegoś.

Jednak ich wniosek, że pamięć asocjacyjna nie może przetrwać, może nie być prawdziwy dla wszystkich gatunków. Na przykład larwy motyli i chrząszczy wylęgają się z bardziej złożonym układem nerwowym i większą liczbą neuronów niż larwy muszek owocowych. Ponieważ ich układy nerwowe są na początku bardziej skomplikowane, być może nie trzeba ich tak bardzo przebudowywać.

Wcześniejsze badania wykazały, że u niektórych gatunków mogą utrzymywać się inne rodzaje wspomnień. Na przykład, wyjaśnił Gerber, obserwacje i eksperymenty sugerują, że wiele gatunków owadów preferuje rozmnażanie się na tych samych typach roślin, na których dojrzewały: larwy urodzone i wychowane na jabłoniach składają później jaja na jabłoniach jako dorosłe. „Więc można się zastanawiać, w jaki sposób te dwa rodzaje obserwacji mają się do siebie” – powiedział. Jak te preferencje się przenoszą, jeśli nie wspomnienia? Jedną z możliwości jest to, że wspomnienia asocjacyjne nie są przenoszone, ale inne rodzaje wspomnień przechowywane w innych częściach mózgu tak, powiedział.

Dane dają możliwość porównania rozwoju układu nerwowego u zwierząt, które przechodzą metamorfozę i u tych, które tego nie robią. Układ nerwowy owadów został wystarczająco zachowany podczas ewolucji, aby naukowcy mogli wskazać równoważne neurony u gatunków bezpośrednio rozwijających się, takich jak świerszcze i koniki polne. Porównania między nimi mogą odpowiedzieć na pytania, na przykład, w jaki sposób poszczególne komórki zmieniły się z posiadania jednej tożsamości na wiele tożsamości. To „niewiarygodnie potężne narzędzie porównawcze” – powiedział Williams.

Thum uważa, że ​​interesujące byłoby sprawdzenie, czy gatunki owadów żyjące w różnych środowiskach mogą różnić się sposobem przebudowy ich mózgów i czy wspomnienia mogą przetrwać w którymkolwiek z nich. Gerber jest ciekawy, czy mechanizmy komórkowe w metamorfozie owadów są takie same u innych zwierząt, które przechodzą zmiany tego procesu, jak kijanki, które stają się żabami lub nieruchome stworzenia podobne do hydry, które stają się meduzami. „Możesz nawet być na tyle szalony, by zastanawiać się, czy powinniśmy patrzeć na dojrzewanie jako na rodzaj metamorfozy” – powiedział.

Truman i jego zespół mają teraz nadzieję zejść na poziom molekularny, aby zobaczyć, które geny wpływają na dojrzewanie i ewolucję układu nerwowego. W 1971 roku naukowcy postawili hipotezę w artykule teoretycznym, że trzy geny kierują procesem metamorfozy owadów, pomysł, który Riddiford i Truman potwierdzili dalej w Papier 2022. Ale mechanizmy stojące za działaniem tych genów w celu przebudowy ciała i mózgu pozostają niejasne.

Ostatecznym celem Trumana jest nakłonienie neuronu do przyjęcia dorosłej postaci w mózgu larwy. Pomyślne zhakowanie procesu może oznaczać, że naprawdę rozumiemy, w jaki sposób te owady tworzą wiele tożsamości w czasie.

Nie wiadomo, jakie byłyby wzorce reorganizacji w innych częściach mózgu. Ale jest prawdopodobne, że niektóre aspekty zdolności umysłowych muszki owocowej i reakcji na świat, świadome lub nie, są kształtowane przez jej życie larwalne, powiedział Truman. „Wyzwaniem jest próba poznania natury i zakresu tych efektów”.