Мозок комах плавиться і перебудовується під час метаморфозу | Журнал Quanta

Теплими літніми ночами навколо яскравих ліхтариків на подвір’ях і в кемпінгах пурхають зелені мереживниці. Комахи з їхніми вуалеподібними крилами легко відволікаються від своєї природної заклопотаності потягуванням квіткового нектару, уникають хижих кажанів і розмножуються. Маленькі кладки яєць, які вони відкладають, звисають на довгих стеблах на нижній стороні листя і коливаються, як казкові вогники на вітрі.

Висячі комплекти яєць красиві, але також практичні: вони не дають личинкам, що вилупилися, негайно поїсти своїх невилупилися братів і сестер. З серпоподібними щелепами, які проколюють свою здобич і висмоктують її насухо, личинки шнурівки «злісні», кажуть Джеймс Трумен, почесний професор розвитку, клітинної та молекулярної біології Вашингтонського університету. «Це як «Красуня і Чудовисько» в одній тварині».

Ця дихотомія Джекіла і Хайда стала можливою завдяки метаморфозам, явищу, найвідомішому завдяки перетворенню гусениць на метеликів. У найбільш крайньому варіанті, повному метаморфозі, молоді та дорослі форми виглядають і діють як абсолютно різні види. Метаморфоз не є винятком у тваринному світі; це майже правило. Більше, ніж 80% відомих на сьогоднішній день видів тварин, головним чином комах, амфібій і морських безхребетних, зазнають певної форми метаморфозу або мають складні, багатоступеневі життєві цикли.

Процес метаморфози відкриває багато таємниць, але деякі з найбільш загадкових зосереджені на нервовій системі. У центрі цього явища знаходиться мозок, який повинен кодувати не одну, а кілька різних ідентичностей. Зрештою, життя літаючої комахи, що шукає пару, дуже відрізняється від життя голодної гусениці. Протягом останніх півстоліття дослідники досліджували питання про те, як мережа нейронів, що кодує одну ідентичність — голодну гусеницю чи смертоносну личинку мереживокрилки — змінюється на кодування дорослої ідентичності, яка охоплює зовсім інший набір поведінки та потреб .

Трумен і його команда тепер дізналися, наскільки метаморфози змінюють частини мозку. в недавнє дослідження опубліковані в журналі eLife, вони простежили десятки нейронів у мозку плодових мушок, які проходять метаморфоз. Вони виявили, що, на відміну від мученого головного героя оповідання Франца Кафки «Метаморфози», який одного разу прокидається жахливою комахою, дорослі комахи, ймовірно, не пам’ятають багато чого зі свого личинкового життя. Хоча багато личинкових нейронів у дослідженні вистояли, частина мозку комах, яку досліджувала група Трумена, була кардинально змінена. Ця перебудова нейронних зв’язків відобразила таку ж драматичну зміну в поведінці комах, коли вони змінилися з повзаючих голодних личинок на літаючих дорослих особин, які шукають пару.

Їхні висновки є «найдокладнішим прикладом на сьогоднішній день» того, що відбувається з мозком комахи, яка зазнає метаморфозу. Деніз Ерезилмаз, науковий співробітник Центру нейронних ланцюгів і поведінки Оксфордського університету, який працював у лабораторії Трумена, але не брав участі в цій роботі. Результати можуть стосуватися багатьох інших видів на Землі, додала вона.

Окрім детального опису того, як мозок личинки дозріває до мозку дорослої людини, нове дослідження дає підказки до того, як еволюція змусила розвиток цих комах піти таким диким обходом. «Це монументальний твір», — сказав Бертрам Гербер, поведінковий нейробіолог з Інституту нейробіології Лейбніца, який не брав участі в дослідженні, але був співавтором відповідний коментар та цінності eLife. «Це дійсно кульмінація 40 років досліджень у цій галузі».

«Я називаю це «The Paper» великими літерами», — сказав Даррен Вільямс, дослідник нейробіології розвитку в Королівському коледжі Лондона, який не брав участі в дослідженні, але є давнім співробітником Трумена. «Це буде принципово важливо... для багатьох питань».

Обхід на шляху до дорослого життя

Найдавніші комахи 480 мільйонів років тому вийшли з яєць, дуже схожі на менші версії своїх дорослих особин, або ж вони продовжували свій «прямий розвиток», щоб поступово наближатися до своєї дорослої форми, так само, як це роблять коники, цвіркуни та деякі інші комахи сьогодні. Здається, повна метаморфоза відбулася у комах лише близько 350 мільйонів років тому, до появи динозаврів.

Більшість дослідників тепер вважають, що метаморфози еволюціонували, щоб зменшити конкуренцію за ресурси між дорослими особинами та їх потомством: шунтування личинок у зовсім іншу форму дозволило їм їсти зовсім іншу їжу, ніж дорослі. «Це була чудова стратегія», — сказав Трумен. Комах, які почали зазнавати повної метаморфози, таких як жуки, мухи, метелики, бджоли, оси та мурахи, різко зросла кількість.

Коли Трумен був дитиною, він годинами спостерігав, як комахи проходять через процес. «Мене зацікавила жорстокість личинки проти ніжної природи дорослої особини», — сказав він, зокрема.

Його дитяче захоплення згодом переросло в кар'єру і сім'ю. Після того, як він одружився зі своїм докторським радником, Лінн Ріддіфорд, який також є почесним професором Університету Вашингтона, вони мандрували світом, збираючи комах, які метаморфізуються, та інших, які не метаморфізуються, щоб порівняти їхні шляхи розвитку.

Тоді як Ріддіфорд зосередила свою роботу на впливі гормонів на метаморфоз, Трумена найбільше цікавив мозок. У 1974 році опублікував перший папір про те, що відбувається з мозком під час метаморфозу, для чого він відстежував кількість рухових нейронів у личинок і дорослих особин рогоподібних червів. Відтоді численні дослідження докладно описували різні нейрони та частини мозку личинок і дорослих особин, але вони або анекдотичні, або зосереджені на дуже дрібних аспектах процесу. «У нас не було великої картини», - сказав Трумен.

Трумен знав, що для справжнього розуміння того, що відбувається з мозком, він повинен мати можливість відстежувати окремі клітини та ланцюги в процесі. Нервова система плодової мушки запропонувала практичну можливість зробити це: хоча більшість клітин тіла личинки плодової мушки гинуть, коли вона перетворюється на дорослу особину, багато нейронів у її мозку цього не роблять.

«Нервова система ніколи не могла змінити спосіб утворення нейронів», — сказав Трумен. Це частково тому, що нервова система всіх комах виникає з масиву стовбурових клітин, званих нейробластами, які дозрівають у нейрони. Цей процес давніший за саму метаморфозу, і його нелегко змінити після певної стадії розвитку. Таким чином, навіть якщо майже всі інші клітини в тілі личинок плодової мушки видаляються, більшість початкових нейронів переробляються, щоб знову функціонувати у дорослій особині.

Перероблений розум

Багато людей уявляють, що під час метаморфозу, коли личинкові клітини починають відмирати або перебудовуватися, тіло комахи всередині її кокона або екзоскелетної оболонки перетворюється на щось на зразок супу, а всі решта клітин плавно ковзають разом. Але це не зовсім правильно, пояснив Трумен. «У всього є своє положення... але це дуже делікатно, і якщо ви розкриєте тварину, все просто лопне», — сказав він.

Щоб скласти карту змін мозку в цій драглистій масі, Трумен і його колеги ретельно досліджували генетично модифіковані личинки плодової мушки, які мали специфічні нейрони, які сяяли флуоресцентним зеленим кольором під мікроскопом. Вони виявили, що ця флуоресценція часто зникає під час метаморфозу, тому вони використали генетичний метод вони розвинулися у 2015 році увімкнути червону флуоресценцію в тих самих нейронах, давши комахам певний препарат.

Це "досить крутий метод", кажуть Андреас Тум, невролог з Лейпцизького університету та співавтор коментаря з Гербером. Це дозволяє розглядати не лише один, два чи три нейрони, а цілу мережу клітин.

Дослідники зосередилися на тілі гриба, ділянці мозку, критичній для навчання та пам’яті у личинок плодової мушки та дорослих особин. Область складається з групи нейронів із довгими аксональними хвостами, які лежать паралельними лініями, як струни гітари. Ці нейрони спілкуються з рештою мозку через вхідні та вихідні нейрони, які сплітаються в струни та виходять із них, створюючи мережу зв’язків, які дозволяють комахі асоціювати запахи з хорошими чи поганими враженнями. Ці мережі розташовані в окремих обчислювальних відсіках, як проміжки між ладами на гітарі. Кожен відсік має певне завдання, як-от направляти муху до чогось або від чогось.

Трумен і його команда виявили, що коли личинки піддаються метаморфозу, тільки сім із 10 їхніх нейронних відділів вбудовуються в тіло дорослого гриба. У цих семи нейронах деякі нейрони гинуть, а деякі перебудовуються для виконання нових дорослих функцій. Усі зв’язки між нейронами в тілі гриба та їхніми вхідними та вихідними нейронами розриваються. На цій стадії трансформації «це начебто така абсолютна буддистська ситуація, коли у вас немає ні входу, ні виходу», — сказав Гербер. «Це тільки я, я і я».

Вхідні та вихідні нейрони в трьох компартментах личинок, які не вбудовуються в тіло дорослого гриба, повністю втрачають свою стару ідентичність. Вони залишають тіло гриба та інтегруються в нові ланцюги мозку в інших частинах мозку дорослої людини. «Ви б не знали, що це ті самі нейрони, за винятком того, що ми змогли генетично та анатомічно їх простежити», — сказав Трумен.

Дослідники припускають, що ці переміщувані нейрони є лише тимчасовими гостями в тілі гриба личинки, які на деякий час виконують необхідні функції личинки, але потім повертаються до своїх предкових завдань у мозку дорослої людини. Це узгоджується з ідеєю, що мозок дорослої людини є старшою, предковою формою в лінії, а простіший мозок личинки є похідною формою, яка виникла набагато пізніше.

На додаток до реконструйованих личинкових нейронів у міру росту личинки народжується багато нових нейронів. Ці нейрони не використовуються личинкою, але під час метаморфозу вони дозрівають, щоб стати вхідними та вихідними нейронами для дев’яти нових обчислювальних відділень, які є специфічними для дорослих.

Тіло гриба в личинці виглядає дуже схожим на дорослу версію, сказав Тум, але «перебудова дійсно інтенсивна». За словами Гербера, це виглядає так, ніби всі входи та виходи обчислювальної машини були порушені, але якимось чином зберегли свою бездротову функціональність. «Це майже так само, як якщо б ви навмисно від’єднали та знову підключили» машину.

Як наслідок, грибоподібне тіло дорослої людини є «фундаментально... абсолютно новою структурою», як кажуть К. ВіджайРагаван, почесний професор і колишній директор Індійського національного центру біологічних наук, який був головним редактором статті і не брав участі в дослідженні. Немає жодних анатомічних ознак того, що спогади могли вціліти, додав він.

Крихкість пам'яті

За словами Вільямса, дослідники були схвильовані питанням про те, чи можуть спогади личинки передаватись дорослій комахі, але відповідь не була однозначною.

Типи спогадів, які живуть у грибному тілі плодової мушки, — це асоціативні спогади, ті, що пов’язують дві різні речі разом — тип пам’яті, який, наприклад, викликав у собак Павлова слину від звуку дзвінка. Для плодової мушки асоціативні спогади зазвичай включають запахи, і вони направляють муху до чогось або від чогось.

Однак їхній висновок про те, що асоціативна пам’ять не може вижити, може бути справедливим не для всіх видів. Наприклад, личинки метелика та жука вилуплюються з більш складною нервовою системою та більшою кількістю нейронів, ніж у личинок плодової мушки. Оскільки їхня нервова система спочатку складніша, їх, можливо, не доведеться так сильно переробляти.

Попередні дослідження виявили докази того, що в деяких видів можуть зберігатися інші типи пам’яті. Наприклад, пояснив Гербер, спостереження та експерименти свідчать про те, що багато видів комах віддають перевагу розмноженню на тих же типах рослин, де вони дозріли: личинки, які народжуються та вирощуються на яблунях, згодом, як дорослі, відкладають яйця на яблуні. «Тож цікаво, як співвідносяться ці два типи спостережень», — сказав він. Як ці переваги зберігаються, якщо спогади ні? Однією з можливостей є те, що асоціативні спогади не передаються, але інші типи спогадів, що містяться в інших частинах мозку, переносять, сказав він.

Ці дані дають можливість порівняти розвиток нервової системи у тварин, які метаморфізуються, і тих, у яких цього не відбувається. Нервова система комах була достатньо збережена під час еволюції, щоб дослідники могли точно визначити еквівалентні нейрони у видів, що розвиваються безпосередньо, таких як цвіркуни та коники. Порівняння між ними може відповісти на такі запитання, як, наприклад, як окремі клітини змінили одиницю на декілька. Це "неймовірно потужний інструмент порівняння", сказав Вільямс.

Тум вважає, що було б цікаво побачити, чи можуть види комах, що живуть у різних середовищах, відрізнятися за тим, як перебудовується їх мозок, і чи можуть спогади вижити в будь-якому з них. Герберу цікаво дізнатися, чи однакові клітинні механізми метаморфозу комах в інших тварин, які зазнають варіацій цього процесу, як-от пуголовки, які стають жабами, або нерухомі гідроподібні істоти, які стають медузами. «Ви навіть можете бути настільки божевільними, щоб задуматися, чи варто нам дивитися на статеве дозрівання як на якусь метаморфозу», — сказав він.

Трумен і його команда тепер сподіваються зануритися на молекулярний рівень, щоб побачити, які гени впливають на дозрівання та еволюцію нервової системи. У 1971 році дослідники в теоретичній статті висунули гіпотезу про те, що трио генів керує процесом метаморфозу комах, ідея, яку Ріддіфорд і Трумен підтвердили в Папір 2022. Але механізми, що стоять за тим, як ці гени працюють, щоб реконструювати тіло та мозок, залишаються незрозумілими.

Кінцева мета Трумена полягає в тому, щоб змусити нейрон прийняти свою дорослу форму в мозку личинки. Успішний злом процесу може означати, що ми справді розуміємо, як ці комахи створюють різні особи з часом.

Невідомо, якими були б моделі реорганізації в інших частинах мозку. Але цілком імовірно, що деякі аспекти розумових здібностей плодової мушки та реакції на світ, свідомі чи ні, формуються її личинковим життям, сказав Трумен. «Завдання полягає в тому, щоб спробувати з’ясувати природу та ступінь цих ефектів».