Мозги насекомых плавятся и переплетаются во время метаморфозы | Журнал Кванта

Теплыми летними ночами зеленые златоглазки порхают вокруг ярких фонарей на задних дворах и в кемпингах. Насекомых с их крыльями, похожими на вуали, легко отвлечь от их естественной озабоченности потягиванием цветочного нектара, избеганием хищных летучих мышей и размножением. Небольшие кладки яиц, которые они откладывают, свисают с длинных стеблей на нижней стороне листьев и качаются на ветру, как гирлянды.

Висячие ансамбли яиц красивы, но также практичны: они не дают вылупившимся личинкам сразу съесть своих невылупившихся братьев и сестер. С серповидными челюстями, которые пронзают добычу и высасывают ее насухо, личинки златоглазки «злобны», сказал он. Джеймс Трумэн, почетный профессор развития, клеточной и молекулярной биологии Вашингтонского университета. «Это как «Красавица и чудовище» в одном животном».

Эта дихотомия Джекила и Хайда стала возможной благодаря метаморфозе, явлению, наиболее известному благодаря превращению гусениц в бабочек. В самом экстремальном варианте, полной метаморфозе, ювенильная и взрослая формы выглядят и ведут себя как совершенно разные виды. Метаморфоза не является исключением в животном мире; это почти правило. Более 80% из известных сегодня видов животных, в основном насекомых, земноводных и морских беспозвоночных, претерпевают ту или иную форму метаморфоза или имеют сложный, многостадийный жизненный цикл.

Процесс метаморфоза таит в себе много загадок, но некоторые из самых загадочных связаны с нервной системой. В центре этого феномена находится мозг, который должен кодировать не одну, а несколько разных идентичностей. Ведь жизнь летающего насекомого, ищущего себе пару, сильно отличается от жизни голодной гусеницы. Последние полвека исследователи пытались выяснить, как сеть нейронов, кодирующая одну личность — голодную гусеницу или кровожадную личинку златоглазки, — смещается, чтобы кодировать взрослую личность, которая включает в себя совершенно другой набор поведения и потребностей. .

Трумэн и его команда теперь узнали, насколько метаморфозы перетасовывают части мозга. В Недавнее исследование опубликованные в журнале eLife, они проследили десятки нейронов в мозгу плодовых мушек, проходящих метаморфоз. Они обнаружили, что, в отличие от измученного главного героя рассказа Франца Кафки «Метаморфоза», который однажды просыпается чудовищным насекомым, взрослые насекомые, вероятно, не могут вспомнить большую часть своей личиночной жизни. Хотя многие личиночные нейроны в исследовании выжили, часть мозга насекомого, которую исследовала группа Трумэна, была резко перестроена. Этот капитальный ремонт нейронных связей отразил столь же резкий сдвиг в поведении насекомых, когда они превратились из ползающих голодных личинок в летающих взрослых, ищущих себе пару.

Их результаты являются «наиболее подробным на сегодняшний день примером» того, что происходит с мозгом насекомого, подвергающегося метаморфозу, сказал он. Дениз Эрезилмаз, научный сотрудник с докторской степенью в Центре нейронных цепей и поведения Оксфордского университета, который раньше работал в лаборатории Трумэна, но не участвовал в этой работе. Результаты могут быть применимы ко многим другим видам на Земле, добавила она.

Помимо подробного описания того, как мозг личинки созревает во взрослый мозг, новое исследование дает ключ к разгадке того, как эволюция заставила развитие этих насекомых пойти по такому дикому пути. «Это монументальное произведение, — сказал Бертрам Гербер, поведенческий нейробиолог из Института нейробиологии Лейбница, который не участвовал в исследовании, но был соавтором соответствующий комментарий для eLife. «Это действительно кульминация 40-летних исследований в этой области».

«Я называю это «Бумагой» заглавными буквами», — сказал Даррен Уильямс, исследователь нейробиологии развития в Королевском колледже Лондона, который не участвовал в исследовании, но долгое время сотрудничал с Трумэном. «Это будет принципиально важно… по множеству вопросов».

Обход на пути к взрослой жизни

Самые ранние насекомые 480 миллионов лет назад вышли из яиц, очень похожие на уменьшенные копии своих взрослых особей, или же они продолжили свое «прямое развитие», чтобы неуклонно приближаться к своей взрослой форме, точно так же, как сегодня кузнечики, сверчки и некоторые другие насекомые. Полная метаморфоза, по-видимому, возникла у насекомых только около 350 миллионов лет назад, до появления динозавров.

Большинство исследователей теперь считают, что метаморфоз развился, чтобы уменьшить конкуренцию за ресурсы между взрослыми особями и их потомством: превращение личинок в совершенно другую форму позволило им питаться совершенно другой пищей, чем взрослые особи. «Это была отличная стратегия, — сказал Трумэн. Насекомые, которые начали подвергаться полной метаморфозе, такие как жуки, мухи, бабочки, пчелы, осы и муравьи, увеличились в количестве.

Когда Трумэн был ребенком, он часами наблюдал, как насекомые проходят этот процесс. В частности, что касается златоглазок, «я был заинтригован свирепостью личинки по сравнению с деликатным характером взрослой особи», — сказал он.

Его детская страсть со временем переросла в карьеру и семью. После того, как он женился на своем докторском советнике, Линн Риддифорд, который также является почетным профессором Вашингтонского университета, они путешествовали по миру, собирая насекомых, которые метаморфизируются, и других, которые не метаморфизируются, чтобы сравнить пути их развития.

В то время как Риддифорд сосредоточила свою работу на влиянии гормонов на метаморфозы, Трумэн больше всего интересовался мозгом. В 1974 году он опубликовал первая статья о том, что происходит с мозгом во время метаморфоза, для чего он проследил количество двигательных нейронов у личинок роговых червей и взрослых особей. С тех пор многочисленные исследования подробно изучили различные нейроны и части мозга личинок и взрослых особей, но они либо анекдотичны, либо сосредоточены на очень мелких аспектах процесса. «У нас не было большой картины, — сказал Трумэн.

Трумэн знал, что для того, чтобы по-настоящему понять, что происходит с мозгом, ему нужно уметь отслеживать отдельные клетки и цепи в ходе этого процесса. Нервная система плодовой мушки предоставила практическую возможность сделать это: хотя большинство клеток тела личинки плодовой мушки умирает, когда она превращается во взрослую особь, многие нейроны в ее мозгу не умирают.

«Нервная система никогда не могла изменить способ образования нейронов», — сказал Трумэн. Отчасти это связано с тем, что нервная система у всех насекомых возникает из массива стволовых клеток, называемых нейробластами, которые созревают в нейроны. Этот процесс старше, чем сама метаморфоза, и его нелегко модифицировать после определенной стадии развития. Таким образом, даже если почти все другие клетки в личиночном теле плодовой мушки элиминируются, большинство первоначальных нейронов перерабатываются, чтобы заново функционировать во взрослой особи.

Обновленный разум

Многие представляют себе, что при метаморфозе, когда личиночные клетки начинают отмирать или перестраиваться, тело насекомого внутри его кокона или экзоскелетной оболочки превращается в нечто вроде супа, а все оставшиеся клетки плавно скользят между собой. Но это не совсем так, объяснил Трумэн. «У всего есть положение… но оно очень деликатное, и если вы откроете животное, все просто лопнет», — сказал он.

Чтобы составить карту изменений мозга в этой студенистой массе, Трумэн и его коллеги тщательно изучили генетически модифицированных личинок плодовых мушек, у которых были особые нейроны, светившиеся флуоресцентно-зеленым светом под микроскопом. Они обнаружили, что эта флуоресценция часто исчезала во время метаморфоза, поэтому они использовали генетический метод. они разработали в 2015 году, чтобы включить красную флуоресценцию в тех же нейронах, дав насекомым определенный препарат.

Это «довольно крутой метод», сказал Андреас Тум, нейробиолог из Лейпцигского университета и соавтор комментария с Гербером. Он позволяет рассматривать не один, два или три нейрона, а целую сеть клеток.

Исследователи сосредоточились на грибовидном теле, области мозга, имеющей решающее значение для обучения и памяти у личинок плодовой мухи и взрослых особей. Область состоит из группы нейронов с длинными аксональными хвостами, которые лежат параллельными линиями, как струны гитары. Эти нейроны взаимодействуют с остальной частью мозга через входные и выходные нейроны, которые вплетаются в цепочки и выходят из них, создавая сеть связей, которая позволяет насекомому ассоциировать запахи с хорошими или плохими переживаниями. Эти сети расположены в отдельных вычислительных отсеках, таких как промежутки между ладами на гитаре. У каждого отсека есть задача, например, направить муху к чему-то или от чего-то.

Трумэн и его команда обнаружили, что когда личинки подвергаются метаморфозу, только семь из 10 их нервных компартментов включаются в тело взрослого гриба. Внутри этих семи нейронов некоторые нейроны умирают, а некоторые перестраиваются для выполнения новых функций взрослого человека. Все связи между нейронами грибовидного тела и их входными и выходными нейронами растворяются. На этом этапе трансформации «это что-то вроде предельной буддийской ситуации, когда у вас нет ни входов, ни выходов», — сказал Гербер. «Здесь только я, я и я».

Входные и выходные нейроны в трех личиночных компартментах, которые не включаются в тело взрослого гриба, полностью утрачивают свою прежнюю идентичность. Они покидают грибовидное тело и интегрируются в новые мозговые цепи в другом месте взрослого мозга. «Вы бы не знали, что это одни и те же нейроны, за исключением того, что мы смогли проследить их генетически и анатомически», — сказал Трумэн.

Исследователи предполагают, что эти перемещающиеся нейроны являются лишь временными гостями в личиночном грибовидном теле, беря на себя необходимые личиночные функции на некоторое время, но затем возвращаясь к своим наследственным задачам во взрослом мозгу. Это согласуется с идеей о том, что взрослый мозг является более старой, предковой формой в пределах линии, а более простой личиночный мозг является производной формой, появившейся намного позже.

Помимо реконструированных личиночных нейронов, по мере роста личинки рождается много новых нейронов. Эти нейроны не используются личинкой, но при метаморфозе они созревают, чтобы стать входными и выходными нейронами для девяти новых вычислительных компартментов, специфичных для взрослых особей.

По словам Тама, грибовидное тело личинки очень похоже на взрослую версию, но «перестройка очень интенсивная». По словам Гербера, это как если бы все входы и выходы вычислительной машины были нарушены, но каким-то образом сохранили свою беспроводную функциональность. «Это похоже на то, как если бы вы намеренно отключали и снова включали» машину.

В результате грибовидное тело взрослого мозга представляет собой «принципиально… совершенно новую структуру», сказал К. Виджай Рагхаван, почетный профессор и бывший директор Национального центра биологических наук Индии, который был главным редактором газеты и не участвовал в исследовании. Он добавил, что нет никаких анатомических признаков того, что воспоминания могли сохраниться.

Хрупкость памяти

Исследователи были взволнованы этим вопросом о том, могут ли воспоминания личинки передаться взрослому насекомому, сказал Уильямс, но ответ не был четким.

Типы воспоминаний, которые живут в грибовидном теле плодовой мушки, — это ассоциативные воспоминания, такие, которые связывают две разные вещи воедино — тип памяти, который вызывал слюноотделение у собак Павлова, например, при звуке колокольчика. Для плодовой мушки ассоциативные воспоминания обычно связаны с запахами, и они направляют муху к чему-то или от чего-то.

Однако их вывод о том, что ассоциативная память не может сохраниться, может быть справедлив не для всех видов. Например, личинки бабочек и жуков вылупляются с более сложной нервной системой и большим количеством нейронов, чем личинки плодовых мушек. Поскольку их нервная система изначально более сложная, их, возможно, не придется переделывать так сильно.

Предыдущие исследования обнаружили доказательства того, что у некоторых видов могут сохраняться и другие типы воспоминаний. Например, объяснил Гербер, наблюдения и эксперименты показывают, что многие виды насекомых предпочитают размножаться на тех же типах растений, на которых они созрели: личинки, рожденные и выращенные на яблонях, позже имеют тенденцию откладывать яйца на яблонях во взрослом возрасте. «Поэтому возникает вопрос, как соотносятся эти два типа наблюдений, — сказал он. Как эти предпочтения переносятся, если воспоминания не переносятся? Одна из возможностей заключается в том, что ассоциативные воспоминания не переносятся, но переносятся другие типы воспоминаний, хранящиеся в других частях мозга, сказал он.

Данные дают возможность сравнить развитие нервной системы у животных, которые метаморфизируются, и у тех, у которых нет метаморфоза. Нервная система насекомых достаточно сохранилась в ходе эволюции, чтобы исследователи могли точно определить эквивалентные нейроны у видов, развивающихся непосредственно, таких как сверчки и кузнечики. Сравнения между ними могут ответить на такие вопросы, как, например, как отдельные клетки изменились от одной к множественной идентичности. Это «невероятно мощный сравнительный инструмент», — сказал Уильямс.

Тум считает, что было бы интересно посмотреть, могут ли виды насекомых, живущие в разных средах, различаться по способу перестройки их мозга и могут ли воспоминания сохраняться в любом из них. Герберу любопытно посмотреть, одинаковы ли клеточные механизмы метаморфоза насекомых у других животных, которые подвергаются вариациям этого процесса, например, головастики, которые становятся лягушками, или неподвижные гидроподобные существа, которые становятся медузами. «Вы даже можете сойти с ума, чтобы задаться вопросом, следует ли нам рассматривать половое созревание как своего рода метаморфозу», — сказал он.

Трумэн и его команда теперь надеются погрузиться на молекулярный уровень, чтобы увидеть, какие гены влияют на созревание и эволюцию нервной системы. В 1971 году исследователи в теоретической статье выдвинули гипотезу о том, что процесс метаморфоза насекомых управляется тремя генами, и эта идея была подтверждена Риддифордом и Трумэном. 2022 бумага. Но механизмы, лежащие в основе того, как эти гены работают над ремоделированием тела и мозга, остаются неясными.

Конечная цель Трумэна — уговорить нейрон принять взрослую форму в личиночном мозгу. Успешный взлом процесса может означать, что мы действительно понимаем, как эти насекомые создают множество личностей во времени.

Неизвестно, какими будут модели реорганизации в других частях мозга. Но вполне вероятно, что некоторые аспекты умственных способностей плодовой мушки и реакции на мир, сознательные или нет, формируются ее личиночной жизнью, сказал Трумэн. «Задача состоит в том, чтобы попытаться выяснить природу и степень этих эффектов».