Insektshjärnor smälter och drar om under metamorfos | Quanta Magazine

Under varma sommarnätter fladdrar gröna spetsvingar runt ljusa lyktor på bakgårdar och på campingplatser. Insekterna, med sina slöjeliknande vingar, distraheras lätt från sin naturliga upptagenhet med att smutta på blomnektar, undvika rovfladdermöss och föröka sig. Små klämmor av äggen de lägger hänger från långa stjälkar på undersidan av löv och svajar som ljus i vinden.

De dinglande äggensemblerna är vackra men också praktiska: De hindrar de kläckande larverna från att omedelbart äta upp sina okläckta syskon. Med skäreliknande käkar som genomborrar deras byte och suger dem torra, är spetslarverna "onda", sa de James Truman, professor emeritus i utveckling, cell- och molekylärbiologi vid University of Washington. "Det är som "Beauty and the Beast" i ett djur."

Denna Jekyll-and-Hyde-dikotomi är möjlig genom metamorfos, fenomenet som är mest känt för att förvandla larver till fjärilar. I sin mest extrema version, fullständig metamorfos, ser juvenila och vuxna former ut och fungerar som helt olika arter. Metamorfos är inget undantag i djurriket; det är nästan en regel. Mer än 80% av de kända djurarterna idag, främst insekter, amfibier och marina ryggradslösa djur, genomgår någon form av metamorfos eller har komplexa, flerstegs livscykler.

Processen med metamorfos presenterar många mysterier, men några av de mest förbryllande är centrerade på nervsystemet. I centrum för detta fenomen är hjärnan, som måste koda för inte en utan flera olika identiteter. När allt kommer omkring är livet för en flygande, kompissökande insekt väldigt annorlunda från livet för en hungrig larv. Under det senaste halvseklet har forskare undersökt frågan om hur ett nätverk av neuroner som kodar en identitet – den hos en hungrig larv eller en mordisk snörlarv – ändras för att koda en vuxen identitet som omfattar en helt annan uppsättning beteenden och behov .

Truman och hans team har nu lärt sig hur mycket metamorfos förändrar delar av hjärnan. I en ny studie publiceras i tidningen Elife, spårade de dussintals neuroner i hjärnan på fruktflugor som går igenom metamorfos. De fann att, till skillnad från den plågade huvudpersonen i Franz Kafkas novell "The Metamorphosis", som vaknar en dag som en monstruös insekt, kan vuxna insekter sannolikt inte minnas mycket av sitt larvliv. Även om många av larverneuronerna i studien uthärdade, omkopplades den del av insektshjärnan som Trumans grupp undersökte dramatiskt. Den översynen av neurala förbindelser speglade en liknande dramatisk förändring i insekternas beteende när de förändrades från krypande, hungriga larver till flygande, kompissökande vuxna.

Deras fynd är "det mest detaljerade exemplet hittills" på vad som händer med hjärnan på en insekt som genomgår metamorfos, sa de Deniz Erezyilmaz, en postdoktorand forskare vid University of Oxfords Center for Neural Circuits and Behavior som brukade arbeta i Trumans labb men inte var involverad i detta arbete. Resultaten kan gälla många andra arter på jorden, tillade hon.

Förutom att detaljera hur en larvhjärna mognar till en vuxen hjärna, ger den nya studien ledtrådar till hur evolutionen fick utvecklingen av dessa insekter att ta en så vild omväg. "Det är en monumental pjäs," sa Bertram Gerber, en beteendevetare vid Leibniz Institute for Neurobiology som inte var involverad i studien men var medförfattare till en relaterad kommentar för Elife. "Det är verkligen klimaxen av 40 års forskning inom området."

"Jag kallar det här 'The Paper' med versaler," sa Darren Williams, en forskare i utvecklingsneurobiologi vid King's College i London som inte var involverad i studien men är en långvarig medarbetare till Truman's. "Det kommer att vara fundamentalt viktigt ... för många frågor."

En omväg på vägen till vuxenlivet

De tidigaste insekterna för 480 miljoner år sedan dök upp från ägg som såg ut ungefär som mindre versioner av deras vuxna jag, eller så fortsatte de sin "direkta utveckling" för att stadigt komma närmare sin vuxna form, precis som gräshoppor, syrsor och vissa andra insekter gör idag. Fullständig metamorfos tycks ha uppstått hos insekter bara för cirka 350 miljoner år sedan, före dinosaurierna.

De flesta forskare tror nu att metamorfos har utvecklats för att minska konkurrensen om resurser mellan vuxna och deras avkomma: Att växla larver till en helt annan form gjorde att de kunde äta mycket annorlunda mat än de vuxna gjorde. "Det var en fantastisk strategi," sa Truman. Insekter som började genomgå fullständig metamorfos, som skalbaggar, flugor, fjärilar, bin, getingar och myror, exploderade i antal.

När Truman var barn tillbringade han timmar med att se insekter gå igenom processen. Med spetsvingarna i synnerhet, "jag blev fascinerad av larvens grymhet kontra den vuxnas känsliga natur", sa han.

Hans barndomspassion förvandlades så småningom till en karriär och en familj. Efter att han gifte sig med sin doktorandrådgivare, Lynn Riddiford, som också är professor emerita vid University of Washington, reste de jorden runt och samlade insekter som metamorfoseras och andra som inte gör det, för att jämföra deras utvecklingsvägar.

Medan Riddiford fokuserade sitt arbete på hormoners effekt på metamorfos, var Truman mest intresserad av hjärnan. 1974 publicerade han det första papperet om vad som händer med hjärnan under metamorfos, för vilken han spårade antalet motorneuroner i hornmasklarver och vuxna. Sedan dess har många studier detaljerat olika neuroner och delar av hjärnan hos larver och vuxna, men de är antingen anekdotiska eller fokuserade på mycket små aspekter av processen. "Vi hade inte mycket av en stor bild," sa Truman.

Truman visste att för att verkligen förstå vad som händer med hjärnan var han tvungen att kunna spåra enskilda celler och kretsar genom processen. Fruktflugans nervsystem erbjöd en praktisk möjlighet att göra det: Även om de flesta av fruktflugans kroppsceller dör när den förvandlas till en vuxen, gör många av nervcellerna i dess hjärna inte det.

"Nervsystemet har aldrig kunnat förändra hur det gör neuroner," sa Truman. Det beror delvis på att nervsystemet i alla insekter uppstår från en rad stamceller som kallas neuroblaster som mognar till neuroner. Den processen är äldre än själva metamorfosen och inte lätt att modifiera efter ett visst utvecklingsstadium. Så även när nästan alla andra celler i fruktflugans larvkropp elimineras, återvinns de flesta av de ursprungliga neuronerna för att fungera på nytt hos den vuxna.

Det ombyggda sinnet

Många föreställer sig att under metamorfos, när larvcellerna börjar dö eller ordna om sig själva, förvandlas insektens kropp inuti dess kokong eller exoskeletala hölje till något som liknar en soppa, med alla återstående celler flytande glidande runt tillsammans. Men det är inte helt rätt, förklarade Truman. "Allt har en position ... men det är verkligen känsligt, och om du öppnar djuret så spricker allt bara", sa han.

För att kartlägga hjärnförändringarna i den gelatinösa massan, granskade Truman och hans kollegor genetiskt modifierade fruktfluglarver som hade specifika neuroner som lyste en fluorescerande grön under mikroskopet. De fann att denna fluorescens ofta bleknade under metamorfos, så de använde en genetisk teknik de hade utvecklats år 2015 att sätta på en röd fluorescens i samma nervceller genom att ge insekterna ett särskilt läkemedel.

Det är en "ganska cool metod", sa Andreas Thum, neuroforskare vid Leipzigs universitet och medförfattare till kommentaren med Gerber. Det låter dig titta på inte bara en, två eller tre neuroner utan ett helt nätverk av celler.

Forskarna zonerade in på svampkroppen, en region av hjärnan som är avgörande för inlärning och minne hos fruktflugelarver och vuxna. Regionen består av ett gäng neuroner med långa axonala svansar som ligger i parallella linjer som strängarna på en gitarr. Dessa neuroner kommunicerar med resten av hjärnan genom ingångs- och utgångsneuroner som väver in och ut ur strängarna, vilket skapar ett nätverk av anslutningar som gör att insekten kan associera lukter med bra eller dåliga upplevelser. Dessa nätverk är arrangerade i distinkta beräkningsfack, som utrymmena mellan banden på gitarren. Varje fack har en uppgift, som att styra en fluga mot eller bort från något.

Truman och hans team fann att när larverna genomgår metamorfos, är endast sju av deras 10 neurala fack inkorporerade i den vuxna svampkroppen. Inom dessa sju dör vissa neuroner, och några ombyggs för att utföra nya vuxenfunktioner. Alla kopplingar mellan nervcellerna i svampkroppen och deras in- och utgående neuroner löses upp. I det här transformationsstadiet, "är det typ den här ultimata buddhistiska situationen där du inte har några ingångar, du har inga utgångar," sa Gerber. "Det är bara jag, jag och jag."

Ingångs- och utgångsneuronerna i de tre larvfacken som inte införlivas i den vuxna svampkroppen tappar helt sina gamla identiteter. De lämnar svampkroppen och integreras i nya hjärnkretsar på andra ställen i den vuxna hjärnan. "Du skulle inte veta att de var samma neuroner, förutom att vi har kunnat följa dem både genetiskt och anatomiskt," sa Truman.

Forskarna föreslår att dessa förflyttande neuroner bara är tillfälliga gäster i larvsvampkroppen, som tar på sig nödvändiga larvfunktioner ett tag men återgår sedan till sina förfäders uppgifter i den vuxna hjärnan. Det stämmer överens med tanken att den vuxna hjärnan är den äldre, släktformen inom släktlinjen och den enklare larvhjärnan är en härledd form som kom mycket senare.

Förutom de ombyggda larverneuronerna föds många nya neuroner när larven växer. Dessa neuroner används inte av larven, men vid metamorfos mognar de för att bli ingångs- och utgångsneuroner för nio nya beräkningskompartment som är vuxenspecifika.

Svampkroppen i larven ser väldigt lik ut den vuxna versionen, sa Thum, men "omkopplingen är verkligen intensiv." Det är som om ingångarna och utgångarna från en beräkningsmaskin alla stördes men ändå på något sätt bibehöll sin trådlösa funktionalitet, sa Gerber. "Det är nästan som om du medvetet skulle koppla ur och koppla tillbaka" maskinen.

Som ett resultat är den vuxna hjärnans svampkropp "i grunden ... en helt ny struktur", sa det K. VijayRaghavan, en emeritusprofessor och tidigare chef för Indiens nationella centrum för biologiska vetenskaper som var tidningens huvudredaktör och inte var involverad i studien. Det finns ingen anatomisk indikation på att minnen kunde ha överlevt, tillade han.

Minnets bräcklighet

Forskare har varit entusiastiska över denna fråga om huruvida en larvs minnen kan föras vidare till den vuxna insekten, sa Williams, men svaret har inte varit entydigt.

De typer av minnen som lever i svampkroppen på en fruktfluga är associativa minnen, den sorten som länkar två olika saker samman - den typ av minne som till exempel fick Pavlovs hundar att salivera vid ljudet av en klocka. För fruktflugan involverar associativa minnen vanligtvis lukter, och de styr flugan mot eller bort från något.

Men deras slutsats att associativa minnen inte kan överleva kanske inte stämmer för alla arter. Fjärils- och skalbaggarlarver kläcks till exempel med mer komplexa nervsystem och fler nervceller än vad fruktflugalarver har. Eftersom deras nervsystem börjar mer komplicerat, kanske de inte behöver omformas lika mycket.

Tidigare studier har funnit bevis för att andra typer av minnen kan finnas kvar hos vissa arter. Till exempel, förklarade Gerber, tyder observationer och experiment på att många arter av insekter föredrar att reproducera sig på samma typer av växter där de mognat: Larver som föds och växte upp på äppelträd tenderar senare att lägga ägg på äppelträd som vuxna. "Så man undrar hur dessa två typer av observationer relaterar," sa han. Hur överförs dessa preferenser om minnen inte gör det? En möjlighet är att associativa minnen inte överförs, men andra typer av minnen som finns i andra delar av hjärnan gör det, sa han.

Data ger möjligheter att jämföra utvecklingen av nervsystem hos djur som metamorfoserar och de som inte gör det. Insekternas nervsystem har bevarats tillräckligt under evolutionen för att forskare kan peka ut motsvarande neuroner i direkt utvecklande arter som syrsor och gräshoppor. Jämförelser mellan dem kan svara på frågor som hur enskilda celler förändrades från att ha enstaka till flera identiteter. Det är "ett otroligt kraftfullt jämförande verktyg", sa Williams.

Thum tycker att det skulle vara intressant att se om insektsarter som lever i olika miljöer kan variera i hur deras hjärnor ordnas om, och om minnen kan överleva i någon av dem. Gerber är nyfiken på att se om de cellulära mekanismerna i insektsmetamorfos är desamma hos andra djur som genomgår variationer av processen, som grodyngel som blir grodor eller orörliga hydraliknande varelser som blir maneter. "Du kanske till och med är galen nog att undra om vi ska se på puberteten som en sorts metamorfos," sa han.

Truman och hans team hoppas nu kunna dyka ner till molekylär nivå för att se vilka gener som påverkar nervsystemets mognad och utveckling. 1971 antog forskare i en teoretisk artikel att en trio gener styr processen för insektsmetamorfos, en idé som Riddiford och Truman ytterligare bekräftade i en 2022 papper. Men mekanismerna bakom hur dessa gener fungerar för att omforma kroppen och hjärnan är fortfarande oklara.

Trumans yttersta mål är att få en neuron att anta sin vuxna form i larvhjärnan. Att framgångsrikt hacka processen kan innebära att vi verkligen förstår hur dessa insekter skapar flera identiteter genom tiden.

Det är okänt hur omorganisationsmönstren skulle se ut på andra ställen i hjärnan. Men det är troligt att vissa aspekter av fruktflugans mentala kapacitet och reaktioner på världen, medvetna eller inte, formas av dess larvliv, sa Truman. "Utmaningen ligger i att försöka ta reda på arten och omfattningen av dessa effekter."