Možgani žuželk se topijo in preoblikujejo med metamorfozo | Revija Quanta

V toplih poletnih nočeh zelene čipke plapolajo okoli svetlih luči na dvoriščih in v kampih. Žuželke s svojimi tančicami podobnimi krili zlahka odvrnejo od njihove naravne preokupacije s srkanjem cvetličnega nektarja, izogibanjem plenilskim netopirjem in razmnoževanju. Majhne gredice jajčec, ki jih odložijo, visijo na dolgih pecljih na spodnji strani listov in se zibljejo kot pravljične lučke v vetru.

Viseči sklopi jajčec so lepi, a tudi praktični: preprečujejo, da bi izlegle ličinke takoj pojedle svoje neizvaljene brate in sestre. S srpastimi čeljustmi, ki prebadajo svoj plen in ga izsesajo do suhega, so ličinke čipkarjev "zlobne", pravijo James Truman, zaslužni profesor razvoja, celične in molekularne biologije na Univerzi v Washingtonu. "To je kot 'Lepotica in zver' v eni živali."

To dihotomijo Jekyll-and-Hyde je omogočila metamorfoza, pojav, ki je najbolj znan po preoblikovanju gosenic v metulje. V najbolj skrajni različici, popolni preobrazbi, so mladoletne in odrasle oblike videti in se obnašati kot popolnoma različni vrsti. Metamorfoza ni izjema v živalskem kraljestvu; to je skoraj pravilo. Več kot 80% danes znanih živalskih vrst, predvsem žuželk, dvoživk in morskih nevretenčarjev, so podvržene določeni obliki metamorfoze ali imajo zapletene, večstopenjske življenjske cikle.

Proces metamorfoze predstavlja veliko skrivnosti, a nekatere najbolj begajoče se osredotočajo na živčni sistem. V središču tega pojava so možgani, ki morajo kodirati ne eno, ampak več različnih identitet. Navsezadnje se življenje leteče žuželke, ki išče partnerja, zelo razlikuje od življenja lačne gosenice. Zadnjih pol stoletja so raziskovalci preučevali vprašanje, kako se mreža nevronov, ki kodira eno identiteto – identiteto lačne gosenice ali morilske ličinke čipk – spremeni v kodiranje identitete odrasle osebe, ki zajema povsem drugačen nabor vedenj in potreb. .

Truman in njegova ekipa so se zdaj naučili, koliko metamorfoza prerazporedi dele možganov. notri nedavna študija objavljen v reviji ELIFE, so izsledili na desetine nevronov v možganih vinskih mušic, ki gredo skozi metamorfozo. Ugotovili so, da se odrasle žuželke v nasprotju z mučenim protagonistom kratke zgodbe Franza Kafke »Preobrazba«, ki se nekega dne zbudi kot pošastna žuželka, verjetno ne spomnijo veliko svojega življenja v ličinkah. Čeprav je veliko larvalnih nevronov v študiji zdržalo, je bil del možganov žuželk, ki ga je pregledala Trumanova skupina, dramatično preoblikovan. Ta prenova nevronskih povezav je odražala podobno dramatičen premik v vedenju žuželk, ko so se spremenile iz plazečih se lačnih ličink v leteče odrasle osebe, ki iščejo partnerja.

Njihove ugotovitve so "najpodrobnejši primer doslej" tega, kar se zgodi z možgani žuželke, ki je podvržena metamorfozi, je dejal Deniz Erezyilmaz, podoktorski raziskovalec v Centru za nevronske kroge in vedenje Univerze v Oxfordu, ki je delal v Trumanovem laboratoriju, vendar ni bil vključen v to delo. Rezultati se lahko nanašajo na številne druge vrste na Zemlji, je dodala.

Poleg tega, da podrobno opisuje, kako možgani ličinke dozorijo v možgane odraslega, nova študija ponuja namige o tem, kako je razvoj teh žuželk povzročil tako divji ovinek. "To je monumentalen del," je rekel Bertram Gerber, vedenjski nevroznanstvenik na Leibnizovem inštitutu za nevrobiologijo, ki ni bil vključen v študijo, je pa soavtor povezan komentar za ELIFE. "To je res vrhunec 40 let raziskav na tem področju."

»Temu rečem 'The Paper' z velikimi tiskanimi črkami,« je rekel Darren Williams, raziskovalec razvojne nevrobiologije na King's College London, ki ni bil vključen v študijo, je pa dolgoletni Trumanov sodelavec. "To bo bistveno pomembno ... za veliko vprašanj."

Obvoz na poti v odraslost

Najzgodnejše žuželke pred 480 milijoni let so se pojavile iz jajčec, ki so bile zelo podobne manjšim različicam svojih odraslih oseb, ali pa so nadaljevale svoj »neposredni razvoj«, da bi se postopoma približale svoji odrasli obliki, tako kot kobilice, črički in nekatere druge žuželke danes. Zdi se, da je do popolne preobrazbe pri žuželkah prišlo šele pred približno 350 milijoni let, pred dinozavri.

Večina raziskovalcev zdaj verjame, da se je metamorfoza razvila, da bi zmanjšala konkurenco za vire med odraslimi in njihovimi potomci: preusmeritev ličink v zelo drugačno obliko jim je omogočila, da so jedle zelo drugačno hrano kot odrasli. "To je bila odlična strategija," je dejal Truman. Insekti, ki so začeli doživljati popolno preobrazbo, kot so hrošči, muhe, metulji, čebele, ose in mravlje, so eksplodirali v številu.

Ko je bil Truman še otrok, je ure in ure opazoval žuželke, kako gredo skozi proces. Zlasti pri čipkastih krilih me je »zanimala divja ličinka v primerjavi z občutljivo naravo odrasle osebe,« je dejal.

Njegova otroška strast se je sčasoma spremenila v kariero in družino. Potem ko se je poročil s svojim doktorskim svetovalcem, Lynn Riddiford, ki je tudi zaslužni profesor na Univerzi v Washingtonu, sta potovala po svetu in zbirala žuželke, ki se metamorfizirajo, in druge, ki ne, da bi primerjala njihove razvojne poti.

Medtem ko se je Riddifordova osredotočila na vpliv hormonov na metamorfozo, so Trumana najbolj zanimali možgani. Leta 1974 je objavil prvi papir o tem, kaj se dogaja z možgani med metamorfozo, za kar je sledil številu motoričnih nevronov v ličinkah rogov in odraslih. Od takrat so številne študije podrobno opisale različne nevrone in dele možganov ličink in odraslih, vendar so bodisi anekdotične bodisi osredotočene na zelo majhne vidike procesa. "Nismo imeli velike slike," je dejal Truman.

Truman je vedel, da mora biti sposoben slediti posameznim celicam in tokokrogom skozi proces, če želi resnično razumeti, kaj se dogaja z možgani. Živčni sistem vinske mušice je ponudil praktično priložnost za to: čeprav večina telesnih celic ličinke vinske mušice umre, ko se preobrazi v odraslo osebo, mnogi nevroni v njenih možganih ne.

"Živčni sistem nikoli ni mogel spremeniti načina, kako ustvarja nevrone," je dejal Truman. To je delno zato, ker živčni sistem pri vseh žuželkah izhaja iz niza izvornih celic, imenovanih nevroblasti, ki dozorijo v nevrone. Ta proces je starejši od same metamorfoze in ga po določeni razvojni stopnji ni enostavno spremeniti. Torej, čeprav so skoraj vse druge celice v telesu ličink vinske mušice odstranjene, se večina prvotnih nevronov reciklira, da ponovno delujejo v odrasli osebi.

Prenovljeni um

Mnogi ljudje si predstavljajo, da se med metamorfozo, ko celice ličinke začnejo odmirati ali se preurejajo, telo žuželke znotraj njenega zapredka ali eksoskeletnega ovoja spremeni v nekaj podobnega juhi, pri čemer vse preostale celice tekoče drsijo skupaj. Toda to ni čisto prav, je pojasnil Truman. "Vse ima svoj položaj ... vendar je res občutljivo, in če žival odpreš, vse poči," je dejal.

Da bi preslikali možganske spremembe v tej želatinasti masi, so Truman in njegovi kolegi natančno preučili gensko spremenjene ličinke sadne mušice, ki so imele posebne nevrone, ki so pod mikroskopom svetili fluorescentno zeleno. Ugotovili so, da je ta fluorescenca med metamorfozo pogosto zbledela, zato so uporabili genetsko tehniko razvili so se leta 2015 vklopiti rdečo fluorescenco v istih nevronih tako, da je žuželkam dala določeno zdravilo.

Rečeno je, da je to "precej kul metoda". Andreas Thum, nevroznanstvenik na Univerzi v Leipzigu in soavtor komentarja z Gerberjem. Omogoča vam, da pogledate ne le enega, dva ali tri nevrone, temveč celotno mrežo celic.

Raziskovalci so se osredotočili na telo gobe, predel možganov, ki je kritičen za učenje in spomin pri ličinkah vinske mušice in odraslih. Regija je sestavljena iz skupine nevronov z dolgimi aksonskimi repi, ki ležijo v vzporednih linijah kot strune kitare. Ti nevroni komunicirajo s preostalimi možgani prek vhodnih in izhodnih nevronov, ki se vpletajo v in iz strun ter ustvarjajo mrežo povezav, ki žuželki omogočajo, da vonjave poveže z dobrimi ali slabimi izkušnjami. Ta omrežja so razporejena v ločene računalniške predelke, kot so prostori med prečkami na kitari. Vsak predelek ima nalogo, kot je vodenje muhe proti nečemu ali stran od njega.

Truman in njegova ekipa so ugotovili, da je, ko so ličinke podvržene metamorfozi, le sedem od njihovih 10 živčnih predelkov vključenih v telo odrasle gobe. Znotraj teh sedmih nekateri nevroni umrejo, nekateri pa so preoblikovani za opravljanje novih funkcij odraslih. Vse povezave med nevroni v telesu gobe ter njihovimi vhodnimi in izhodnimi nevroni so razpuščene. Na tej stopnji preobrazbe je "nekakšna ultimativna budistična situacija, ko nimate vložkov, nimate rezultatov," je dejal Gerber. "Samo jaz, jaz in jaz."

Vhodni in izhodni nevroni v treh oddelkih ličink, ki se ne vključijo v telo odrasle gobe, popolnoma izgubijo svojo staro identiteto. Zapustijo telo gobe in se vključijo v nova možganska vezja drugje v možganih odraslega. "Ne bi vedeli, da gre za iste nevrone, le da smo jim lahko genetsko in anatomsko sledili," je dejal Truman.

Raziskovalci nakazujejo, da so ti premeščajoči se nevroni le začasni gostje v telesu ličinke gobe, ki za nekaj časa prevzamejo potrebne funkcije ličink, nato pa se vrnejo k svojim nalogam prednikov v možganih odraslih. To je v skladu z idejo, da so odrasli možgani starejša oblika prednikov v liniji, enostavnejši možgani ličink pa so izpeljana oblika, ki je prišla veliko pozneje.

Poleg preoblikovanih nevronov ličinke se med rastjo ličinke rodi veliko novih nevronov. Teh nevronov ličinka ne uporablja, vendar ob metamorfozi dozorijo, da postanejo vhodni in izhodni nevroni za devet novih računalniških predelkov, ki so specifični za odrasle.

Telo gobe v ličinki je videti zelo podobno odrasli različici, je dejal Thum, vendar je "ponovno ožičenje res intenzivno." Kot da bi bili vsi vhodi in izhodi računalniškega stroja moteni, vendar bi še vedno nekako ohranili svojo brezžično funkcionalnost, je dejal Gerber. "To je skoraj tako, kot da bi namenoma odklopili in znova priklopili" stroj.

Posledično je gobasto telo odraslih možganov »v bistvu … popolnoma nova struktura,« pravijo K. VijayRaghavan, zaslužni profesor in nekdanji direktor indijskega nacionalnega centra za biološke znanosti, ki je bil glavni urednik časopisa in ni bil vključen v študijo. Nobenega anatomskega znaka ni, da bi spomini lahko preživeli, je dodal.

Krhkost spomina

Raziskovalce je vznemirilo to vprašanje, ali se lahko spomini ličinke prenesejo na odraslo žuželko, je dejal Williams, vendar odgovor ni bil jasen.

Vrste spominov, ki živijo v gobastem telesu vinske mušice, so asociativni spomini, tisti, ki povezujejo dve različni stvari - vrsta spomina, zaradi katere so se Pavlovovi psi na primer slinili ob zvoku zvonca. Za vinsko mušico asociativni spomini običajno vključujejo vonjave in vodijo muho proti nečemu ali stran od njega.

Vendar njihov sklep, da asociativni spomini ne morejo preživeti, morda ne drži za vse vrste. Ličinke metuljev in hroščev se na primer izležejo z bolj zapletenim živčnim sistemom in več nevroni, kot jih imajo ličinke vinske mušice. Ker je njihov živčni sistem na začetku bolj zapleten, jih morda ne bo treba toliko preoblikovati.

Prejšnje študije so odkrile dokaze, da lahko pri nekaterih vrstah obstajajo druge vrste spominov. Gerber je na primer pojasnil, da opažanja in poskusi kažejo, da se številne vrste žuželk raje razmnožujejo na istih vrstah rastlin, kjer so dozorele: ličinke, rojene in vzgojene na jablanah, kasneje običajno odložijo jajca na jablane kot odrasle. "Torej se sprašujemo, kako sta ti dve vrsti opazovanj povezani," je dejal. Kako se te želje prenesejo, če se spomini ne? Ena od možnosti je, da se asociativni spomini ne prenašajo, ampak druge vrste spominov, shranjenih v drugih delih možganov, je dejal.

Podatki ponujajo priložnosti za primerjavo razvoja živčnega sistema pri živalih, ki se metamorfizirajo, in tistih, ki se ne. Živčni sistem žuželk se je med evolucijo dovolj ohranil, da lahko raziskovalci natančno določijo enakovredne nevrone pri neposredno razvijajočih se vrstah, kot so črički in kobilice. Primerjave med njimi lahko odgovorijo na vprašanja, kot je, kako so se posamezne celice spremenile iz ene same v več identitet. Je "neverjetno močno primerjalno orodje," je dejal Williams.

Thum meni, da bi bilo zanimivo videti, ali se vrste žuželk, ki živijo v različnih okoljih, lahko razlikujejo v načinih preureditve njihovih možganov in ali lahko spomini preživijo v kateri koli od njih. Gerberja zanima, ali so celični mehanizmi pri metamorfozi žuželk enaki pri drugih živalih, ki so podvržene variacijam procesa, kot so paglavci, ki postanejo žabe, ali nepremična hidri podobna bitja, ki postanejo meduze. "Morda ste celo dovolj nori, da se sprašujete, ali bi morali na puberteto gledati kot na nekakšno metamorfozo," je dejal.

Truman in njegova ekipa zdaj upajo, da se bodo potopili na molekularno raven, da bi videli, kateri geni vplivajo na zorenje in razvoj živčnega sistema. Leta 1971 so raziskovalci v teoretičnem članku postavili hipotezo, da trio genov usmerja proces metamorfoze žuželk, idejo, ki sta jo Riddiford in Truman dodatno potrdila v Papir 2022. Toda mehanizmi za delovanje teh genov pri preoblikovanju telesa in možganov ostajajo nejasni.

Trumanov končni cilj je spodbuditi nevron, da prevzame svojo odraslo obliko v možganih ličinke. Uspešno vdiranje v proces lahko pomeni, da resnično razumemo, kako te žuželke skozi čas ustvarjajo več identitet.

Ni znano, kakšni bi bili vzorci reorganizacije drugje v možganih. Vendar je verjetno, da nekatere vidike mentalnih sposobnosti vinske mušice in odzivov na svet, zavestne ali ne, oblikuje njeno življenje ličink, je dejal Truman. "Izziv je poskušati ugotoviti naravo in obseg teh učinkov."