昆虫大脑在变态过程中融化并重新连接广达杂志

在温暖的夏夜，绿色的草蛉在后院和露营地的明亮灯笼周围翩翩起舞。 这些昆虫的翅膀像面纱一样，很容易分散它们的注意力，让它们无法专注于吸食花蜜、躲避掠食性蝙蝠和繁殖。 它们产下的小窝卵挂在叶子下面的长茎上，像仙女一样在风中摇曳。

悬垂的卵群既美丽又实用：它们可以防止孵化的幼虫立即吃掉未孵化的兄弟姐妹。 草蛉幼虫有着镰刀般的下颚，可以刺穿猎物并将其吸干，它们是“恶毒的”。 詹姆斯·杜鲁门华盛顿大学发育、细胞和分子生物学名誉教授。 “这就像《美女与野兽》中的一种动物。”

这种杰基尔与海德的二分法是通过变态而成为可能的，这种现象以毛毛虫转变为蝴蝶而闻名。 在其最极端的版本中，即完全变态，幼年和成年形式的外观和行为就像完全不同的物种。 变态在动物界并不是一个例外。 这几乎是一条规则。 超过80％ 当今已知的动物物种，主要是昆虫、两栖动物和海洋无脊椎动物，经历某种形式的变态或具有复杂的多阶段生命周期。

变态过程呈现出许多谜团，但其中一些最令人费解的谜团集中在神经系统上。 这一现象的核心是大脑，它必须编码的不是一个而是多个不同的身份。 毕竟，飞行、寻找配偶的昆虫的生活与饥饿的毛毛虫的生活有很大不同。 在过去的半个世纪中，研究人员一直在探索这样一个问题：编码一种身份（饥饿的毛毛虫或凶残的草蛉幼虫）的神经元网络如何转变为编码包含完全不同的行为和需求的成年身份。 。

杜鲁门和他的团队现在已经了解了变态对大脑各部分的重组程度。 在 最近的一项研究 发表在杂志 eLife他们追踪了果蝇大脑中经历变态的数十个神经元。 他们发现，与弗朗茨·卡夫卡短篇小说《变形记》中饱受折磨的主人公（有一天醒来时变成一只巨大的昆虫）不同，成年昆虫可能记不起幼虫生活的大部分内容。 尽管研究中的许多幼虫神经元都幸存了下来，但杜鲁门研究小组检查的昆虫大脑部分却发生了戏剧性的重新连接。 神经连接的彻底改变也反映了昆虫行为的类似戏剧性转变，它们从爬行、饥饿的幼虫转变为飞行、寻找配偶的成虫。

他们的发现是“迄今为止最详细的例子”，说明了昆虫变态过程中大脑所发生的情况。 德尼兹·埃雷齐尔马兹牛津大学神经回路与行为中心的博士后研究科学家，曾在杜鲁门实验室工作，但没有参与这项工作。 她补充说，这些结果可能适用于地球上的许多其他物种。

除了详细说明幼虫大脑如何成熟为成年大脑之外，这项新研究还提供了进化如何使这些昆虫的发育走上如此疯狂的弯路的线索。 “这是一件具有里程碑意义的作品，”说 伯特伦·格伯莱布尼茨神经生物学研究所的行为神经科学家，他没有参与这项研究，但与人合着了 相关评论 eLife。 “这确实是该领域 40 年研究的顶峰。”

“我用大写字母将其称为‘报纸’，”说 达伦威廉姆斯伦敦国王学院发育神经生物学研究员，他没有参与这项研究，但却是杜鲁门的长期合作者。 “对于很多问题来说，这将是非常重要的。”

成人之路上的弯路

480 亿年前，最早的昆虫从卵中诞生，看起来很像成年体的较小版本，或者它们继续“直接发育”，逐渐接近成年体，就像今天的蚱蜢、蟋蟀和其他一些昆虫一样。 昆虫的完全变态似乎只在大约 350 亿年前出现，比恐龙还早。

大多数研究人员现在认为，变态的进化是为了减少成虫及其后代之间对资源的竞争：将幼虫转变成一种截然不同的形态，使它们能够吃与成虫截然不同的食物。 杜鲁门说：“这是一个伟大的战略。” 甲虫、苍蝇、蝴蝶、蜜蜂、黄蜂和蚂蚁等开始完全变态的昆虫数量激增。

当杜鲁门还是个孩子的时候，他花了几个小时观察昆虫的整个过程。 尤其是草蛉，“我对幼虫的凶猛与成虫的脆弱本性很感兴趣，”他说。

他童年的热情最终变成了事业和家庭。 与博士生导师结婚后， 林恩·里迪福德华盛顿大学的名誉教授，他们走遍了世界，收集了会变形的昆虫和其他不会变形的昆虫，以比较它们的发育路径。

里迪福德的工作重点是激素对变态的影响，而杜鲁门最感兴趣的是大脑。 1974年，他发表 第一篇论文 研究变态过程中大脑发生的变化，为此他追踪了天角虫幼虫和成虫的运动神经元数量。 从那时起，大量研究详细介绍了幼虫和成虫的不同神经元和大脑部分，但它们要么是轶事，要么集中在该过程的非常小的方面。 “我们没有太多的大局观，”杜鲁门说。

杜鲁门知道，要真正了解大脑发生了什么，他必须能够在整个过程中追踪单个细胞和电路。 果蝇的神经系统提供了一个实际的机会来做到这一点：尽管大多数果蝇幼虫的身体细胞在转变为成虫时都会死亡，但其大脑中的许多神经元却不会。

“神经系统从来都无法改变它产生神经元的方式，”杜鲁门说。 部分原因是所有昆虫的神经系统都是由一系列称为神经母细胞的干细胞产生的，这些干细胞成熟为神经元。 这个过程比变态本身更古老，并且在发展到一定阶段后不容易改变。 因此，即使果蝇幼虫体内几乎所有其他细胞都被消除，大多数原始神经元也会在成虫体内重新发挥功能。

重塑的心灵

许多人想象在变态过程中，当幼虫细胞开始死亡或重新排列时，昆虫在茧或外骨骼外壳内的身体会变成汤一样的东西，所有剩余的细胞一起流畅地滑动。 但杜鲁门解释说，这并不完全正确。 “一切都有一个位置......但它真的很脆弱，如果你打开动物，一切都会破裂，”他说。

为了绘制凝胶状物质的大脑变化图，杜鲁门和他的同事仔细观察了基因工程果蝇幼虫，这些果蝇幼虫具有在显微镜下发出绿色荧光的特定神经元。 他们发现这种荧光经常在变态过程中消失，因此他们使用了遗传技术 他们已经开发出 2015 年，通过给昆虫一种特殊的药物，在相同的神经元中打开红色荧光。

说这是一个“非常酷的方法” 安德烈亚斯·图姆莱比锡大学的神经科学家，与格伯共同撰写了该评论。 它不仅可以让您观察一个、两个或三个神经元，还可以观察整个细胞网络。

研究人员将注意力集中在蘑菇体上，蘑菇体是果蝇幼虫和成虫大脑中对学习和记忆至关重要的区域。 该区域由一堆具有长轴突尾部的神经元组成，这些轴突尾部像吉他的琴弦一样平行排列。 这些神经元通过输入和输出神经元与大脑的其他部分进行通信，这些神经元在绳子上编织进出，形成一个连接网络，使昆虫能够将气味与好或坏的经历联系起来。 这些网络被排列在不同的计算隔间中，就像吉他上音品之间的空间一样。 每个隔间都有一个任务，例如引导苍蝇靠近或远离某物。

杜鲁门和他的团队发现，当幼虫经历变态时，其 10 个神经室中只有 XNUMX 个融入成蘑菇体中。 在这七个神经元中，一些神经元死亡，一些神经元被重塑以执行新的成人功能。 蘑菇体内的神经元与其输入和输出神经元之间的所有连接都被溶解了。 在这个转变阶段，“这是一种终极的佛教情况，你没有输入，你没有输出，”格伯说。 “只有我、我自己和我自己。”

三个幼虫室中的输入和输出神经元没有融入成体蘑菇体内，完全摆脱了它们的旧身份。 它们离开蘑菇体并融入成人大脑其他地方的新大脑回路。 “你不会知道它们是相同的神经元，除非我们能够在基因和解剖学上追踪它们，”杜鲁门说。

研究人员认为，这些重新定位的神经元只是幼虫蘑菇体内的暂时客人，在一段时间内承担必要的幼虫功能，但随后又回到成年大脑中的祖先任务。 这与这样的观点是一致的，即成年大脑是谱系中更古老的、祖先的形式，而更简单的幼虫大脑是晚得多的衍生形式。

除了重塑的幼虫神经元之外，随着幼虫的生长，许多新的神经元也会诞生。 这些神经元不被幼虫使用，但在变态时它们成熟为成虫特有的九个新计算区室的输入和输出神经元。

图姆说，幼虫的蘑菇体看起来与成虫非常相似，但“重新布线确实很激烈。” 格伯说，就好像一台计算机的输入和输出都被破坏了，但仍然以某种方式保持了它们的无线功能。 “这几乎就像你故意拔掉并重新插入”机器一样。

因此，成人大脑的蘑菇体“从根本上说是……一个全新的结构”，说 K·维杰·拉加万名誉教授、印度国家生物科学中心前主任，是该论文的主编，并未参与这项研究。 他补充说，没有任何解剖学迹象表明记忆可以保存下来。

记忆的脆弱性

威廉姆斯说，研究人员对幼虫的记忆是否可以遗传给成年昆虫这个问题感到兴奋，但答案尚不明确。

存在于果蝇蘑菇体内的记忆类型是联想记忆，这种记忆将两种不同的事物联系在一起——例如，巴甫洛夫的狗听到铃声就会流口水的记忆类型。 对于果蝇来说，联想记忆通常涉及气味，它们引导果蝇靠近或远离某物。

然而，他们的联想记忆无法生存的结论可能并不适用于所有物种。 例如，蝴蝶和甲虫幼虫孵化出的神经系统比果蝇幼虫更复杂，神经元也更多。 由于他们的神经系统一开始就比较复杂，因此可能不需要进行太多改造。

先前的研究发现证据表明其他类型的记忆可以在某些物种中持续存在。 例如，格伯解释说，观察和实验表明，许多种类的昆虫都倾向于在它们成熟的同一类型植物上繁殖：在苹果树上出生和长大的幼虫，成年后倾向于在苹果树上产卵。 “所以人们想知道这两种类型的观察结果有何关联，”他说。 如果记忆不存在，这些偏好如何保留？ 他说，一种可能性是联想记忆不会保留，但大脑其他部分的其他类型的记忆会保留。

这些数据提供了比较变态动物和非变态动物神经系统发育的机会。 昆虫的神经系统在进化过程中得到了足够的保护，研究人员可以在蟋蟀和蚱蜢等直接发育的物种中找出等效的神经元。 它们之间的比较可以回答诸如单个细胞如何从单一身份转变为多重身份等问题。 威廉姆斯说，这是“一个非常强大的比较工具”。

Thum 认为，了解生活在不同环境中的昆虫物种的大脑重新排列方式是否会有所不同，以及记忆是否能够在其中的任何一种中保存下来，将会很有趣。 格伯很好奇，昆虫变态的细胞机制是否与其他经历变态过程变化的动物相同，比如蝌蚪变成青蛙，或者不动的水螅类生物变成水母。 “你甚至可能疯狂地想知道我们是否应该将青春期视为一种变态，”他说。

杜鲁门和他的团队现在希望深入到分子水平，看看哪些基因影响神经系统的成熟和进化。 1971 年，研究人员在一篇理论论文中假设，三个基因指导着昆虫的变态过程，这一观点在 Riddiford 和 Truman 的论文中得到了进一步证实。 2022纸。 但这些基因如何重塑身体和大脑背后的机制仍不清楚。

杜鲁门的最终目标是诱导幼虫大脑中的神经元呈现成体形式。 成功破解这一过程可能意味着我们真正了解这些昆虫如何随着时间的推移创造出多重身份。

目前尚不清楚大脑其他部位的重组模式是什么样的。 但杜鲁门说，果蝇的心理能力和对世界的反应的某些方面，无论是否有意识，很可能是由其幼虫的生活决定的。 “挑战在于试图找出这些影响的性质和程度。”