Böcek Beyinleri Metamorfoz Sırasında Eriyip Yeniden Kablolanıyor | Quanta Dergisi

Sıcak yaz gecelerinde, arka bahçelerde ve kamp alanlarında yeşil dantel kanatlar parlak fenerlerin etrafında dalgalanır. Tül benzeri kanatları olan böcekler, çiçek nektarını yudumlayarak, yırtıcı yarasalardan kaçınarak ve üreyerek doğal meşguliyetlerinden kolayca uzaklaşırlar. Bıraktıkları yumurtaların küçük pençeleri yaprakların alt tarafındaki uzun saplardan sarkıyor ve rüzgarda peri ışıkları gibi sallanıyor.

Sarkan yumurta toplulukları güzel ama aynı zamanda pratiktir: Yumurtadan çıkan larvaların yumurtadan çıkmamış kardeşlerini hemen yemesini engellerler. Avlarını delen ve onları kurutan orak benzeri çeneleri olan bağcıklı larvalar, "kötü" dediler. James Truman, Washington Üniversitesi'nde geliştirme, hücre ve moleküler biyoloji fahri profesörü. "Bir hayvandaki 'Güzel ve Çirkin' gibi."

Bu Jekyll-ve-Hyde ikiliği, tırtılları kelebeğe dönüştürmekle bilinen en iyi bilinen fenomen olan metamorfoz ile mümkün olmuştur. En aşırı versiyonunda, tam metamorfozda, genç ve yetişkin formlar tamamen farklı türler gibi görünür ve hareket eder. Metamorfoz, hayvanlar aleminde bir istisna değildir; neredeyse bir kuraldır. % 80 den fazla Günümüzde bilinen hayvan türlerinin çoğu, özellikle böcekler, amfibiler ve deniz omurgasızları, bir tür metamorfoz geçirir veya karmaşık, çok aşamalı yaşam döngülerine sahiptir.

Metamorfoz süreci pek çok gizem sunar, ancak en derinden kafa karıştırıcı olanlardan bazıları sinir sistemi üzerinde odaklanır. Bu fenomenin merkezinde, bir değil birden çok farklı kimliği kodlaması gereken beyin vardır. Sonuçta, uçan, eş arayan bir böceğin yaşamı, aç bir tırtılın yaşamından çok farklıdır. Geçtiğimiz yarım yüzyıl boyunca araştırmacılar, aç bir tırtılın ya da cani bir dantel kanatlı larvanın kimliğini kodlayan bir nöron ağının, tamamen farklı davranış ve ihtiyaçları kapsayan bir yetişkin kimliğini kodlamak için nasıl değiştiği sorusunu araştırdılar. .

Truman ve ekibi artık metamorfozun beyin parçalarını ne kadar yeniden düzenlediğini öğrendi. İçinde yeni bir çalışma dergide yayınlandı elifemetamorfozdan geçen meyve sineklerinin beyinlerindeki düzinelerce nöronun izini sürdüler. Franz Kafka'nın kısa öyküsü “Dönüşüm”ün bir gün canavarca bir böcek olarak uyanan eziyet çeken kahramanının aksine, yetişkin böceklerin muhtemelen larva yaşamlarının çoğunu hatırlayamadıklarını keşfettiler. Çalışmadaki larva nöronlarının çoğu dayanmasına rağmen, böcek beyninin Truman'ın grubunun incelediği kısmı dramatik bir şekilde yeniden bağlandı. Sinir bağlantılarının bu şekilde elden geçirilmesi, sürünen, aç larvalardan uçan, eş arayan yetişkinlere dönüşen böceklerin davranışında benzer şekilde dramatik bir değişimi yansıtıyordu.

Bulgularının, başkalaşım geçiren bir böceğin beynine ne olduğunun "bugüne kadarki en ayrıntılı örneği" olduğu belirtildi. Deniz ErezyılmazOxford Üniversitesi Nöral Devreler ve Davranış Merkezi'nde doktora sonrası araştırma bilimcisi olan ve daha önce Truman'ın laboratuvarında çalışan ancak bu çalışmaya dahil olmayan Dr. Sonuçların Dünya'daki diğer birçok tür için geçerli olabileceğini de sözlerine ekledi.

Yeni çalışma, bir larva beyninin yetişkin bir beyine nasıl olgunlaştığını ayrıntılarıyla açıklamanın ötesinde, evrimin bu böceklerin gelişimini nasıl bu kadar vahşi bir yola soktuğuna dair ipuçları sağlıyor. "Anıtsal bir parça" dedi Bertram GerberLeibniz Institute for Neurobiology'de çalışmaya dahil olmayan ancak ortak yazar olan davranışsal bir sinirbilimci olan Dr. ilgili yorum için elife. "Bu, bu alanda 40 yıllık araştırmanın gerçekten doruk noktası."

"Ben buna büyük harflerle 'Kağıt' diyorum," dedi Darren WilliamsKing's College London'da gelişimsel nörobiyoloji alanında araştırmacı olan ve çalışmaya dahil olmayan ancak Truman'ın uzun süredir işbirlikçisi olan Dr. "Temel olarak önemli olacak ... birçok soru için."

Yetişkinliğe Giden Yolda Bir Dolambaçlı Yol

En eski böcekler 480 milyon yıl önce, yetişkin benliklerinin daha küçük versiyonlarına benzeyen yumurtalardan ortaya çıktılar ya da tıpkı günümüzde çekirge, cırcır böceği ve diğer bazı böceklerin yaptığı gibi, yetişkin hallerine giderek yaklaşmak için "doğrudan gelişimlerini" sürdürdüler. Tam başkalaşım böceklerde sadece yaklaşık 350 milyon yıl önce, dinozorlardan önce ortaya çıkmış gibi görünüyor.

Çoğu araştırmacı artık metamorfozun yetişkinler ve yavruları arasındaki kaynak rekabetini azaltmak için evrimleştiğine inanıyor: Larvaları çok farklı bir forma yönlendirmek, onların yetişkinlerden çok farklı yiyecekler yemelerini sağladı. Truman, "Harika bir stratejiydi" dedi. Kınkanatlılar, sinekler, kelebekler, arılar, eşek arıları ve karıncalar gibi tamamen başkalaşım geçirmeye başlayan böcekler sayıca patladı.

Truman çocukken, böceklerin süreçten geçmesini izleyerek saatler geçirdi. Özellikle dantel kanatlarla ilgili olarak, "Yetişkinlerin narin doğasına karşı larvaların gaddarlığı ilgimi çekti" dedi.

Çocukluk tutkusu sonunda bir kariyere ve bir aileye dönüştü. Doktora danışmanıyla evlendikten sonra, Lynn RiddifordAynı zamanda Washington Üniversitesi'nde emerita profesörü olan , gelişim yollarını karşılaştırmak için dünyayı dolaşarak metamorfoza uğrayan ve metamorfoz yapmayan diğer böcekleri topladılar.

Riddiford, çalışmalarını hormonların metamorfoz üzerindeki etkisine odaklarken, Truman en çok beyinle ilgilendi. 1974 yılında yayınladığı ilk kağıt Boynuzlu kurt larvalarında ve yetişkinlerde motor nöronların sayısını takip ettiği metamorfoz sırasında beyne ne olduğu üzerine. O zamandan beri, çok sayıda çalışma, farklı nöronları ve larvaların ve yetişkinlerin beyinlerinin bölümlerini detaylandırdı, ancak bunlar ya anekdot niteliğinde ya da sürecin çok küçük yönlerine odaklandı. Truman, "Pek büyük bir resme sahip değildik" dedi.

Truman, beyne ne olduğunu gerçekten anlamak için süreç boyunca tek tek hücreleri ve devreleri izleyebilmesi gerektiğini biliyordu. Meyve sineğinin sinir sistemi bunun için pratik bir fırsat sunuyordu: Meyve sineği larvasının vücut hücrelerinin çoğu yetişkine dönüşürken ölmesine rağmen beynindeki nöronların çoğu ölmez.

Truman, "Sinir sistemi, nöronları üretme şeklini asla değiştiremedi" dedi. Bunun nedeni kısmen, tüm böceklerdeki sinir sisteminin, nöronlara dönüşen nöroblastlar adı verilen bir dizi kök hücreden ortaya çıkmasıdır. Bu süreç metamorfozdan daha eskidir ve belirli bir gelişim aşamasından sonra kolayca değiştirilemez. Bu nedenle, meyve sineğinin larva vücudundaki diğer hücrelerin neredeyse tamamı ortadan kaldırıldığı gibi, orijinal nöronların çoğu yetişkinde yeniden işlev görmek üzere geri dönüştürülür.

Yenilenmiş Zihin

Pek çok insan, başkalaşım sırasında, larva hücreleri ölmeye veya kendilerini yeniden düzenlemeye başladığında, böceğin kozasının veya dış iskeletinin içindeki vücudunun, kalan tüm hücrelerin birlikte sıvı bir şekilde kayarak çorba gibi bir şeye dönüştüğünü hayal eder. Ancak bu pek doğru değil, diye açıkladı Truman. "Her şeyin bir konumu vardır... ama bu gerçekten hassastır ve hayvanın içini açarsanız her şey patlar" dedi.

Bu jelatinimsi kütledeki beyin değişikliklerini haritalamak için Truman ve meslektaşları, mikroskop altında floresan yeşili parıldayan spesifik nöronları olan, genetiğiyle oynanmış meyve sineği larvalarını incelediler. Bu flüoresanın metamorfoz sırasında sıklıkla söndüğünü buldular, bu yüzden bir genetik teknik kullandılar. geliştirdiler 2015 yılında böceklere belirli bir ilaç vererek aynı nöronlarda kırmızı bir floresanı açmak için.

Bu "oldukça havalı bir yöntem" dedi Andreas Thum, Leipzig Üniversitesi'nde bir sinirbilimci ve Gerber ile birlikte yorumun ortak yazarı. Sadece bir, iki veya üç nörona değil, tüm hücre ağına bakmanıza izin verir.

Araştırmacılar, meyve sineği larvalarında ve yetişkinlerde beynin öğrenme ve hafıza için kritik bir bölgesi olan mantar gövdesi üzerinde yoğunlaştı. Bölge, bir gitarın telleri gibi paralel çizgiler halinde uzanan uzun aksonal kuyruklara sahip bir grup nörondan oluşur. Bu nöronlar, böceğin kokuları iyi veya kötü deneyimlerle ilişkilendirmesine izin veren bir bağlantı ağı oluşturarak, tellerin içinde ve dışında örülen girdi ve çıktı nöronları aracılığıyla beynin geri kalanıyla iletişim kurar. Bu ağlar, gitardaki perdeler arasındaki boşluklar gibi, farklı hesaplama bölmelerinde düzenlenmiştir. Her bölmenin, bir sineği bir şeye doğru veya bir şeyden uzaklaştırmak gibi bir görevi vardır.

Truman ve ekibi, larvalar başkalaşım geçirdiğinde, 10 nöral bölmeden yalnızca yedisinin yetişkin mantar gövdesine dahil olduğunu buldu. Bu yedi nöron içinde bazı nöronlar ölür ve bazıları yeni yetişkin işlevlerini yerine getirmek için yeniden modellenir. Mantar gövdesindeki nöronlar ile giriş ve çıkış nöronları arasındaki tüm bağlantılar çözülür. Gerber, bu dönüşüm aşamasında, "hiç girdinizin olmadığı, hiçbir çıktınızın olmadığı bu nihai Budist durum gibi" dedi. "Sadece ben, kendim ve ben."

Yetişkin mantar gövdesine dahil olmayan üç larva bölmesindeki giriş ve çıkış nöronları eski kimliklerini tamamen atarlar. Mantar vücudunu terk ederler ve yetişkin beyninin başka yerlerindeki yeni beyin devrelerine entegre olurlar. Truman, "Onları hem genetik hem de anatomik olarak takip edebilmemiz dışında, aynı nöronlar olduklarını bilemezsiniz" dedi.

Araştırmacılar, yer değiştiren bu nöronların, larva mantarının vücudunda yalnızca geçici konuklar olduğunu, bir süre için gerekli larval işlevleri üstlendiklerini, ancak daha sonra yetişkin beynindeki atalarından kalma görevlerine geri döndüklerini öne sürüyorlar. Bu, yetişkin beyninin soy içindeki daha eski, atasal form olduğu ve daha basit larva beyninin çok daha sonra gelen türetilmiş bir form olduğu fikriyle uyumludur.

Yeniden modellenen larva nöronlarına ek olarak, larva büyüdükçe birçok yeni nöron doğar. Bu nöronlar larva tarafından kullanılmaz, ancak metamorfozda olgunlaşarak yetişkinlere özgü dokuz yeni hesaplama bölmesi için girdi ve çıktı nöronları haline gelirler.

Thum, larvadaki mantar gövdesinin yetişkin versiyonuna çok benzediğini, ancak "yeniden kablolamanın gerçekten yoğun olduğunu" söyledi. Gerber, sanki bir hesaplama makinesinin girdileri ve çıktıları bozuldu ama yine de bir şekilde kablosuz işlevselliklerini sürdürdüler, dedi. "Neredeyse kasıtlı olarak makinenin fişini çekip yeniden takıyormuşsunuz gibi".

Sonuç olarak, yetişkin beyninin mantar gövdesi "temelde... tamamen yeni bir yapı" dedi. K. Vijay Raghavan, emekli bir profesör ve makalenin ana editörü olan ve çalışmaya dahil olmayan Hindistan Ulusal Biyolojik Bilimler Merkezi'nin eski direktörü. Anıların hayatta kalabileceğine dair anatomik bir gösterge olmadığını da sözlerine ekledi.

Belleğin Kırılganlığı

Williams, bir larvanın anılarının yetişkin böceğe aktarılıp aktarılamayacağı sorusuyla araştırmacıların heyecanlandığını, ancak cevabın net olmadığını söyledi.

Bir meyve sineğinin mantar gövdesinde yaşayan anı türleri çağrışımsal anılardır, iki farklı şeyi birbirine bağlayan türdendir - örneğin, Pavlov'un köpeklerinin zil sesiyle salya akmasına neden olan türden anılar. Meyve sineği için, çağrışımsal anılar tipik olarak kokuları içerir ve sineği bir şeye doğru ya da bir şeyden uzaklaştırmaya yönlendirir.

Bununla birlikte, çağrışımsal anıların hayatta kalamayacağına dair çıkarımları, tüm türler için geçerli olmayabilir. Örneğin kelebek ve böcek larvaları, meyve sineği larvalarının sahip olduğundan daha karmaşık sinir sistemleri ve daha fazla nöronla yumurtadan çıkar. Sinir sistemleri başlangıçta daha karmaşık olduğundan, eskisi kadar kalıplanmaları gerekmeyebilir.

Önceki araştırmalar, bazı türlerde başka türden anıların devam edebileceğine dair kanıtlar bulmuştur. Örneğin, Gerber'in açıkladığı gibi, gözlemler ve deneyler, birçok böcek türünün olgunlaştıkları aynı bitki türleri üzerinde üremeyi tercih ettiğini gösteriyor: Elma ağaçlarında doğup büyüyen larvalar, daha sonra yetişkinler olarak elma ağaçlarına yumurta bırakma eğilimindedir. "Dolayısıyla, bu iki tür gözlemin birbiriyle nasıl ilişkili olduğu merak ediliyor" dedi. Anılar yoksa bu tercihler nasıl devam ediyor? Bir olasılık, çağrışımsal anıların taşınmaması, ancak beynin diğer bölümlerinde barındırılan diğer türdeki anıların taşınmasıdır, dedi.

Veriler, metamorfoza uğrayan ve metamorfoza uğramayan hayvanlardaki sinir sistemlerinin gelişimini karşılaştırma fırsatı sunuyor. Böceklerin sinir sistemi, evrim sırasında araştırmacıların cırcır böceği ve çekirge gibi doğrudan gelişen türlerdeki eşdeğer nöronları tam olarak belirleyebilecek kadar korunmuştur. Aralarındaki karşılaştırmalar, bireysel hücrelerin tek kimlikten çoklu kimliğe nasıl değiştiği gibi soruları yanıtlayabilir. Williams, "inanılmaz derecede güçlü bir karşılaştırma aracı" dedi.

Thum, farklı ortamlarda yaşayan böcek türlerinin beyinlerinin yeniden düzenlenme biçimlerinin değişip değişmediğini ve anıların bunlardan herhangi birinde hayatta kalıp kalamayacağını görmenin ilginç olacağını düşünüyor. Gerber, böcek metamorfozundaki hücresel mekanizmaların, kurbağaya dönüşen iribaşlar veya denizanasına dönüşen hareketsiz hidra benzeri yaratıklar gibi, sürecin varyasyonlarına maruz kalan diğer hayvanlarda da aynı olup olmadığını merak ediyor. "Ergenliğe bir tür metamorfoz olarak bakmamız gerekip gerekmediğini merak edecek kadar deli bile olabilirsiniz," dedi.

Truman ve ekibi şimdi hangi genlerin sinir sisteminin olgunlaşmasını ve evrimini etkilediğini görmek için moleküler düzeye inmeyi umuyor. 1971'de araştırmacılar teorik bir makalede, üçlü bir genin böceklerin metamorfoz sürecini yönettiği hipotezini öne sürdüler; 2022 kağıt. Ancak bu genlerin vücudu ve beyni yeniden şekillendirmek için nasıl çalıştığının ardındaki mekanizmalar belirsizliğini koruyor.

Truman'ın nihai hedefi, bir nöronu larva beyninde yetişkin biçimini almaya ikna etmektir. Süreci başarılı bir şekilde hacklemek, bu böceklerin zaman içinde nasıl çoklu kimlikler yarattığını gerçekten anladığımız anlamına gelebilir.

Beynin başka yerlerinde yeniden yapılanma kalıplarının nasıl olacağı bilinmiyor. Ancak Truman, meyve sineğinin zihinsel kapasitesinin bazı yönlerinin ve bilinçli ya da bilinçsiz dünyaya verdiği tepkilerin larva yaşamı tarafından şekillendirilmesinin muhtemel olduğunu söyledi. "Zorluk, bu etkilerin doğasını ve kapsamını bulmaya çalışmaktır."